设计模式创建者模式（单例&工厂&原型&建造者）

Posted 2022-11-12 ΘLLΘ

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了设计模式创建者模式（单例&工厂&原型&建造者）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

1.单例设计模式
2.工厂模式
3.原型模式
4.建造者模式
5.创建者模式对比
- 5.1 工厂方法模式 VS 建造者模式
- 5.2 抽象工厂模式 VS 建造者模式

序言：

创建型模式的主要关注点是怎样创建对象？，它的主要特点是将对象的创建与使用分离

这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节。

创建型模式分为：

单例模式
工厂模式
原型模式
建造者模式

1.单例设计模式

1.1 单例模式概述

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例模式的主要有以下角色：

单例类：只能创建一个实例的类
访问类：使用单例类

为什么要使用单例模式？

在我们的系统中，有一些对象其实我们只需要一个，比如说：线程池、缓存、对话框、注册表、日志对象、充当打印机、显卡等设备驱动程序的对象。事实上，这一类对象只能有一个实例，如果制造出多个实例就可能会导致一些问题的产生，比如：程序的行为异常、资源使用过量、或者不一致性的结果。因此这里需要用到单例模式

使用单例模式的好处？

对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间，这对于那些重量级对象而言，是非常可观的一笔系统开销
由于 new 操作的次数减少，因而对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻 GC 压力，缩短 GC 停顿时间

1.2 单例模式的实现

单例设计模式分类两种：

饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建
懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建

1.2.1 饿汉式（静态变量方式）

public class Singleton 
    //私有构造方法
    private Singleton() 

    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance = new Singleton();

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() 
        return instance;

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并创建Singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。

1.2.2 饿汉式（静态代码块方式）

public class Singleton 
    //私有构造方法
    private Singleton() 

    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;

    static 
        instance = new Singleton();
    

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() 
        return instance;

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，而对象的创建是在静态代码块中，也是对着类的加载而创建。所以和饿汉式的静态变量方式基本上一样，当然该方式也存在内存浪费问题。

1.2.3 懒汉式（线程不安全）

public class Singleton 
    //私有构造方法
    private Singleton() 

    //在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() 

        if(instance == null) 
            instance = new Singleton();
        
        return instance;

从上面代码我们可以看出该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并没有进行对象的赋值操作，那么什么时候赋值的呢？当调用getInstance()方法获取Singleton类的对象的时候才创建Singleton类的对象，这样就实现了懒加载的效果。但是，如果是多线程环境，会出现线程安全问题。

1.2.4 懒汉式（双重检查锁）

public class Singleton4 
    //构造私有
    private Singleton4() 
        System.out.println("private Singleton4()");
    

    //唯一实例
    //这里volatile的作用是保证共享变量有序性！
    private static volatile Singleton4 INSTANCE = null;

    //双检锁优化
    public static Singleton4 getInstance() 
        //实例没创建，才会进入内部的 synchronized 代码块,提高性能，防止每次都加锁
        if (INSTANCE == null) 
            //可能第一个线程在synchronized 代码块还没创建完对象时，第二个线程已经到了这一步，所以里面还需要加上判断
            synchronized (Singleton4.class) 
                //也许有其他线程已经创建实例，所以再判断一次
                if (INSTANCE == null) 
                    INSTANCE = new Singleton4();
                
            
        
        return INSTANCE;

1.2.5 懒汉式（静态内部类）

静态内部类单例模式中实例由内部类创建，由于 JVM 在加载外部类的过程中, 是不会加载静态内部类的，只有内部类的属性/方法被调用时才会被加载，并初始化其静态属性。静态属性由于被 static 修饰，保证只被实例化一次，并且严格保证实例化顺序。

public class Singleton 

    //私有构造方法
    private Singleton() 

    private static class SingletonHolder 
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    

    //对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() 
        return SingletonHolder.INSTANCE;

第一次加载Singleton类时不会去初始化INSTANCE，只有第一次调用getInstance，虚拟机加载SingletonHolder，并初始化INSTANCE，这样不仅能确保线程安全，也能保证 Singleton 类的唯一性。
静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式，是开源项目中比较常用的一种单例模式。在没有加任何锁的情况下，保证了多线程下的安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。

1.2.6 枚举方式

枚举类实现单例模式是极力推荐的单例实现模式，因为枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次，设计者充分的利用了枚举的这个特性来实现单例模式，枚举的写法非常简单，而且枚举类型是所用单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式。（枚举属于饿汉式方式）

public enum Singleton
    INSTANCE;

    //枚举的构造方法默认是private的,可以不写
    Singleton() 
    

    //获得实例方法（这个可以不要，枚举变量都是public的）
    public static Singleton getInstance() 
        return INSTANCE;

1.3 存在的问题

看这里→单例模式详解

1.4 JDK单例模式的体现

看这里→单例模式详解

2.工厂模式

2.1 工厂模式概述

这里我们用一个案例来了解工厂模式。

需求：设计一个咖啡店点餐系统。

设计一个咖啡类（Coffee），并定义其两个子类（美式咖啡【AmericanCoffee】和拿铁咖啡【LatteCoffee】）；再设计一个咖啡店类（CoffeeStore），咖啡店具有点咖啡的功能。

具体类的设计如下：

咖啡类：

public abstract  class Coffee 
    public abstract String getName();
    //加糖
    public  void  addSugar()
        System.out.println("加糖");
    
    //加奶
    public void addMilk()
        System.out.println("加奶");

美式咖啡：

public class LatteCoffee extends Coffee
    @Override
    public String getName() 
        return "拿铁咖啡";

拿铁咖啡：

public class AmericanCoffee extends Coffee
    @Override
    public String getName() 
        return "美式咖啡";

咖啡店类：

public class CoffeeStore 
    public Coffee orderCoffee(String type) 
        //声明Coffee的变量，根据不同类型创建不同的Coffee子类对象
        Coffee coffee = null;
        if ("american".equals(type)) 
            coffee = new AmericanCoffee();
         else if ("latte".equals(type)) 
            coffee = new LatteCoffee();
         else 
            throw new RuntimeException("对不起，你所点的coffee没有！");
        

        //加配料
        coffee.addMilk();
        coffee.addSugar();
        return coffee;

可以看出如果我们要添加新的咖啡种类，就必须修改咖啡店类，违背了开闭原则！

在java中，万物皆对象，这些对象都需要创建，如果创建的时候直接new该对象，就会对该对象耦合严重，假如我们要更换对象，所有new对象的地方都需要修改一遍，这显然违背了软件设计的开闭原则。

如果我们使用工厂来生产对象，我们就只和工厂打交道就可以了，彻底和对象解耦，如果要更换对象，直接在工厂里更换该对象即可，达到了与对象解耦的目的

所以说，工厂模式最大的优点就是：解耦

2.2 简单工厂模式

2.2.1 结构

简单工厂包含如下角色：

抽象产品：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。
具体产品：实现或者继承抽象产品的子类
具体工厂：提供了创建产品的方法，调用者通过该方法来获取产品。

2.2.2 实现

现在使用简单工厂对上面案例进行改进，类图如下：

工厂类代码如下：

public class SimpleCoffeeFactory 
    public Coffee createCoffee(String type) 
        Coffee coffee = null;
        if ("american".equals(type)) 
            coffee = new AmericanCoffee();
         else if ("latte".equals(type)) 
            coffee = new LatteCoffee();
         else 
            throw new RuntimeException("对不起，您所点的咖啡没有！");
        
        return coffee;

咖啡店类代码修改：

public class CoffeeStore 
    public Coffee orderCoffee(String type) 
        SimpleCoffeeFactory factory = new SimpleCoffeeFactory();
        Coffee coffee = factory.createCoffee(type);
        //加配料
        coffee.addMilk();
        coffee.addSugar();
        return coffee;

测试：

public class Client 
    public static void main(String[] args) 
        //创建咖啡店类对象
        CoffeeStore store=new CoffeeStore();
        Coffee coffee = store.orderCoffee("latte");
        System.out.println(coffee.getName());

工厂（factory）处理创建对象的细节，一旦有了SimpleCoffeeFactory，CoffeeStore类中的orderCoffee()就变成此对象的客户，后期如果需要Coffee对象直接从工厂中获取即可。

这样也就解除了和Coffee实现类的耦合，同时又产生了新的耦合，CoffeeStore对象和SimpleCoffeeFactory工厂对象的耦合，工厂对象和商品对象的耦合。

后期如果再加新品种的咖啡，我们势必要需求修改SimpleCoffeeFactory的代码，违反了开闭原则。工厂类的客户端可能有很多，比如创建美团外卖等，这样只需要修改工厂类的代码，省去其他的修改操作。

2.2.4 优缺点

优点：

封装了创建对象的过程，可以通过参数直接获取对象。把对象的创建和业务逻辑层分开，这样以后就避免了修改客户代码，如果要实现新产品直接修改工厂类，而不需要在原代码中修改，这样就降低了客户代码修改的可能性，更加容易扩展。

缺点：

增加新产品时还是需要修改工厂类的代码，违背了“开闭原则”。

2.2.5 静态工厂

在开发中也有一部分人将工厂类中的创建对象的功能定义为静态的，这个就是静态工厂模式，它也不是23种设计模式中的。代码如下：

public class SimpleCoffeeFactory 

    public static Coffee createCoffee(String type) 
        Coffee coffee = null;
        if("americano".equals(type)) 
            coffee = new AmericanoCoffee();
         else if("latte".equals(type)) 
            coffee = new LatteCoffee();
        
        return coffe;

咖啡店类修改：

public class CoffeeStore 
    public Coffee orderCoffee(String type) 
        Coffee coffee = SimpleCoffeeFactory.createCoffee(type);
        //加配料
        coffee.addMilk();
        coffee.addSugar();
        return coffee;

2.3 工厂方法模式

2.3.1 概念

工厂方法模式：

定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪个产品类对象。工厂方法使一个产品类的实例化延迟到其工厂的子类。

2.3.2 结构

工厂方法模式的主要角色：

抽象工厂：提供了创建产品的接口，调用者通过它访问具体工厂的工厂方法来创建产品。
具体工厂：主要是实现抽象工厂中的抽象方法，完成具体产品的创建。
抽象产品：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。
具体产品：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间一一对应。

2.3.3 实现

使用工厂方法模式对上例进行改进，类图如下：

抽象工厂：

public interface CoffeeFactory 

    Coffee createCoffee();

具体工厂：

public class LatteCoffeeFactory implements CoffeeFactory 

    public Coffee createCoffee() 
        return new LatteCoffee();
    


public class AmericanCoffeeFactory implements CoffeeFactory 

    public Coffee createCoffee() 
        return new AmericanCoffee();

咖啡店类：

public class CoffeeStore 
    private CoffeeFactory coffeeFactory;

    public void setCoffeeFactory(CoffeeFactory coffeeFactory)
        this.coffeeFactory=coffeeFactory;
    
    //点咖啡功能
    public Coffee orderCoffee() 
        Coffee coffee = coffeeFactory.createCoffee();
        coffee.addMilk();
        coffee.addSugar();
        return coffee;

测试：

public class Client 
    public static void main(String[] args) 
        //创建咖啡店类对象
        CoffeeStore store=new CoffeeStore();
        CoffeeFactory factory=new AmericanCoffeeFactory();
        store.setCoffeeFactory(factory);
        Coffee coffee = store.orderCoffee();
        System.out.println(coffee.getName());

从以上的编写的代码可以看到，要增加产品类时也要相应地增加工厂类，不需要修改工厂类的代码了，这样就解决了简单工厂模式的缺点。

工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象。由于使用了多态性，工厂方法模式保持了简单工厂模式的优点，而且克服了它的缺点。

2.3.4 优缺点

优点：

用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品，无须知道产品的具体创建过程
在系统增加新的产品时只需要添加具体产品类和对应的具体工厂类，无须对原工厂进行任何修改，满足开闭原则

缺点：

每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类，这增加了系统的复杂度

2.4 抽象工厂模式

2.4.1 概念

抽象工厂模式：

是一种为访问类提供一个创建一组相关或相互依赖对象的接口，且访问类无须指定所要产品的具体类就能得到同族的不同等级的产品的模式结构。
抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本，工厂方法模式只生产一个等级的产品，而抽象工厂模式可生产多个等级的产品。

前面介绍的工厂方法模式中考虑的是一类产品的生产，如畜牧场只养动物、电视机厂只生产电视机、传智播客只培养计算机软件专业的学生等。

这些工厂只生产同种类产品，同种类产品称为同等级产品，也就是说：工厂方法模式只考虑生产同等级的产品，但是在现实生活中许多工厂是综合型的工厂，能生产多等级（种类）的产品，如电器厂既生产电视机又生产洗衣机或空调，大学既有软件专业又有生物专业等。

抽象工厂模式将考虑多等级产品的生产，将同一个具体工厂所生产的位于不同等级的一组产品称为一个产品族。

下图所示横轴是产品等级，也就是同一类产品；纵轴是产品族，也就是同一品牌的产品，同一品牌的产品产自同一个工厂。

2.4.2 结构

抽象工厂模式的主要角色如下：

抽象工厂：提供了创建产品的接口，它包含多个创建产品的方法，可以创建多个不同等级的产品。
具体工厂：主要是实现抽象工厂中的多个抽象方法，完成具体产品的创建。
抽象产品：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能，抽象工厂模式有多个抽象产品。
具体产品：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间是多对一的关系。

2.4.3 实现

现咖啡店业务发生改变，不仅要生产咖啡还要生产甜点，如提拉米苏、抹茶慕斯等。
如果要按照工厂方法模式，需要定义提拉米苏类、抹茶慕斯类、提拉米苏工厂、抹茶慕斯工厂、甜点工厂类，很容易发生类爆炸情况。
其中拿铁咖啡、美式咖啡是一个产品等级，都是咖啡；提拉米苏、抹茶慕斯也是一个产品等级；拿铁咖啡和提拉米苏是同一产品族（也就是都属于意大利风味），美式咖啡和抹茶慕斯是同一产品族（也就是都属于美式风味）。
所以这个案例可以使用抽象工厂模式实现。

类图如下：

甜品抽象类：

public abstract class Dessert 
    public abstract void show();

甜品实现类：

public class Trimisu extends Dessert
    @Override
    public void show() 
        System.out.println("提拉米苏");
    

public class MatchaMoousse extends Dessert
    @Override
    public void show() 
        System.out.println("抹茶慕斯");

抽象工厂：

public interface DessertFactory 

    Coffee createCoffee();

    Dessert createDessert();

具体工厂：

//美式甜点工厂
public class AmericanDessertFactory implements DessertFactory 

    public Coffee createCoffee() 
        return new AmericanCoffee();
    

    public Dessert createDessert() 
        return new MatchaMousse();
    

//意大利风味甜点工厂
public class ItalyDessertFactory implements DessertFactory 

    public Coffee createCoffee() 
        return new LatteCoffee();
    

    public Dessert createDessert() 
        return new Tiramisu();

测试：

public class Client 
    public static void main(String[] args) 
        ItalyDessertFactory factory=new ItalyDessertFactory();
        Coffee coffee = factory.createCoffee();
        Dessert dessert = factory以上是关于设计模式创建者模式（单例&工厂&原型&建造者）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章 
 设计模式创建者模式（单例&工厂&原型&建造者）
 设计模式创建者模式（单例&工厂&原型&建造者）
 设计模式 创建者模式 -- 创建者模式概述 & 单例设计模式的介绍和实现（饿汉式 & 懒汉式）
 python-单例模式&工厂模式
 创建型设计模式总结
 设计模式解密（23） - 总结篇