剑指架构师系列-设计模式

Posted 2020-10-06

 

1、单例模式：

确保一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

单例模式有以下几个要素：

• 私有的构造方法
• 指向自己实例的私有静态引用
• 以自己实例为返回值的静态的公有的方法

        单例模式根据实例化对象时机的不同分为两种：一种是饿汉式单例，一种是懒汉式单例。饿汉式单例在单例类被加载时候，就实例化一个对象交给自己的引用；而懒汉式在调用取得实例方法的时候才会实例化对象。

饿汉式：

public class Singleton_Simple {  
      
    private static final Singleton_Simple simple = new Singleton_Simple();  
      
    private Singleton_Simple(){}  
      
    public static Singleton_Simple getInstance(){  
        return simple;  
    }  
  
}

懒汉式：

//双锁机制
class Singleton {
	private volatile static Singleton singleton;
	public static Singleton getInstance() {
		if (singleton == null) {
			synchronized (Singleton.class) { // 由于每次调用都需要进行同步，所以可以在前面进行判断即可提高效率，同时注意使用的是Singleton.class的类锁
				if (singleton == null) {
					singleton = new Singleton();
				}
			}
		}
		return singleton;
	}
}

为了提高效率。我们可以用double check机制，现在来看两个问题：

（1）为何用double check的检测机制？

由于两个线程都可以通过第一重的判断 ，进入后，由于存在锁机制，所以会有一个线程进入同步块和第二重判断，而另外的一个线程在同步块处阻塞。

当第一个线程退出同步代码块后，第二个进入，没有经过第二重判断，保证了单例。所以这里必须要使用双重检查锁定。

其实没有第一重的判断，我们也可以实现单例，只是为了考虑性能问题。

（2）为何要对实例变量加volatile关键字？

java内存模型（jmm）并不限制处理器重排序，在执行instance=new Singleton()时，并不是原子语句，实际是包括了下面三大步骤： 

1.为对象分配内存

2.初始化实例对象

3.把引用instance指向分配的内存空间

ps:对象创建可参看《深入理解Java虚拟机》第44页

这个三个步骤并不能保证按序执行，处理器会进行指令重排序优化，存在这样的情况：

优化重排后执行顺序为：1,3,2, 这样在线程1执行到3时，instance已经不为null了，线程2此时判断instance!=null，则直接返回instance引用，但现在实例对象还没有初始化完毕，此时线程2使用instance可能会造成程序崩溃。

现在要解决的问题就是怎样限制处理器进行指令优化重排。

volatile的作用：

（1）volatile变量不会以被缓存到寄存器或者对其它处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总是返回最新写入的值。 

（2）volatile关键字能够通过提供内存屏障，来保证某些指令顺序处理器不能够优化重排，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

 

JVM会对分配内存空间的动作进行同步处理。

（1）可能实际上采用CAS（Compare And Set）配上失败重试的方式保证更新操作的原子性

（2）把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行。就是每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，

参考Java虚拟机第45页

 

其实还有种写法，如下：

public class Singleton { 
    
	  private static class SingletonClassInstance { // 私有静态内部类
	    // 可能是final解决了并发的问题，基本类型声明就可，但是对象类型时，这个对象不能有状态，
	    // 如果有状态，则一定要声明为final,例如String类就是一个不可变类
	    private static final Singleton instance = new Singleton(); 
	  } 

	  public static Singleton getInstance() { 
	    return SingletonClassInstance.instance; // 只在这里调用了静态内部类，私有属性让他人无法使用这个类型
	  } 

	  private Singleton() {  } 
}

由于Singletom没有static属性且SingletonClassInstance是私有静态内部类，不会被其他类调用，所以不会被提前初始化，实现了懒汉式的构造实例。

static语义也要求不会有多个实例存在。并且，JSL规范定义，类的构造必须是原子性的，非并发的，因此不需要加同步块。同样，由于这个构造是并发的，所以getInstance()也并不需要加同步。

  

虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被 正确地加锁、同步。如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。

 

重点要知道为什么静态内部类能保证单例：因为只有一个线程去初始化这个类，在初始化后static final就是一个常量了，当然线程安全了。 

 

其在实际中有重要的应用，如：

1、单例模式在Log4j中的应用。将日志输出到一个文件中必须使用单例模式，否则会覆盖文件的原有内容

2、数据库连接池中的应用

　

2、迭代器模式：

提供一种方法访问一个容器对象中各个元素，而又不暴露该对象的内部细节

interface Iterable{
	public Iterator iterator();
}

interface Aggregate extends Iterable{
	public void add(Object obj);
	public void remove(Object obj);
	public Iterator iterator();
}

class ConcreteAggregate implements Aggregate {
	private List list = new ArrayList();

	public void add(Object obj) {
		list.add(obj);
	}

	public Iterator iterator() {
		return new ConcreteIterator(list);
	}

	public void remove(Object obj) {
		list.remove(obj);
	}
}

调用iterator()方法后返回一个Iterator迭代器，实现如下：

interface Iterator {
	public Object next();
	public boolean hasNext();
}

class ConcreteIterator implements Iterator {
	private List list = new ArrayList();
	private int cursor = 0;

	public ConcreteIterator(List list) {
		this.list = list;
	}

	public boolean hasNext() {
		if (cursor == list.size()) {
			return false;
		}
		return true;
	}

	public Object next() {
		Object obj = null;
		if (this.hasNext()) {
			obj = this.list.get(cursor++);
		}
		return obj;
	}
}

测试一下：

Aggregate ag = new ConcreteAggregate();
ag.add("小明");
ag.add("小红");
ag.add("小刚");
Iterator it = ag.iterator();
while (it.hasNext()) {
	String str = (String) it.next();
	System.out.println(str);
}

 

3、组合设计模式：

蜜蜂是昆虫：继承实现

蜜蜂有向前移动后攻击人的行为：组合实现

昆虫：

class Insect {
    private String name;
    public Insect(String name) {
        this.name = name;
    }
	public String getName() {
		return name;
	}
	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
}

攻击行为：

interface Attack {
    public void move();
    public void attack();
}

class AttackImpl implements Attack {
    private String move;
    private String attack;
 
    public Attack Impl(String move, String attack) {
        this.move = move;
        this.attack = attack;
    }
    @Override
    public void move() {
        System.out.println(move);
    }
    @Override
    public void attack() {
        move();
        System.out.println(attack);
    }
}

蜜蜂是昆虫，有向前一步攻击人的属性：

class Bee extends Insect implements Attack {
    private Attack attack;
 
    public Bee(String name, Attack attack) {
        super(name);
        this.attack = attack;
    }
 
    public void move() {
        attack.move();
    }
 
    public void attack() {
        attack.attack();
    }
}

由于继承机制太过依赖于父类的实现细节，如果父类变动，则子类也会跟着变动，这是糟糕的。　

 

4、策略设计模式：

// Different types of function objects:
interface Combiner<T> {
	T combine(T x, T y);
}


public class Functional {
	// Calls the Combiner object on each element to combine
	// it with a running result, which is finally returned:
	public static <T> T reduce(Iterable<T> seq, Combiner<T> combiner) {
		Iterator<T> it = seq.iterator();
		if (it.hasNext()) {
			T result = it.next();
			while (it.hasNext()){
				result = combiner.combine(result, it.next());
			}
			return result;
		}
		// If seq is the empty list:
		return null; // Or throw exception
	}


	// To use the above generic methods, we need to create
	// function objects to adapt to our particular needs:
	static class IntegerAdder implements Combiner<Integer> {
		public Integer combine(Integer x, Integer y) {
			return x + y;
		}
	}

	static class IntegerSubtracter implements Combiner<Integer> {
		public Integer combine(Integer x, Integer y) {
			return x - y;
		}
	}

	static class BigIntegerAdder implements Combiner<BigInteger> {
		public BigInteger combine(BigInteger x, BigInteger y) {
			return x.add(y);
		}
	}


	public static void main(String[] args) {
		
		// Generics, varargs & boxing working together:
		List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7);
		
		Integer result = reduce(li, new IntegerAdder());
		print(result); // 28

		result = reduce(li, new IntegerSubtracter());
		print(result);


		// Use the prime-generation facility of BigInteger:
		List<BigInteger> lbi = new ArrayList<BigInteger>();
		BigInteger bi = BigInteger.valueOf(11);
		for (int i = 0; i < 11; i++) {
			lbi.add(bi);
			bi = bi.nextProbablePrime();
		}
		print(lbi);

		BigInteger rbi = reduce(lbi, new BigIntegerAdder());
		print(rbi);
		
	}
}

如上例子参考了Java编程思想关于泛型实现策略模式的例子。　　

 

下面来总结一下各个设计模式在Java中的具体应用。

结构型模式
单例模式（Single Pattern）	1、Log4j中将日志输出到一个文件中必须使用单例模式，否则会覆盖文件的原有内容 2、数据库连接池中的应用
工厂模式（Factory）	Spring工厂模式：通过XML文件或Java注解来表示Bean之间的依赖关系，很少直接new一个类进行代码编写
建造者模式（Builder）	Struts2中创建容器（Container）对象
原型模式（Protype）	Java的克隆clone()
结构型模式
适配器模式（Adapter）	1、在Java的I/O类库中，StringReader将一个String类适配到Reader接口，InputStreamReader将InputStream适配到Reader类。 2、在Spring中的AOP中，由于Advisor需要的是MethodInterceptor对象，所以每一个Advisor中的Advice都要配成对应的MethodInterceptor对象。
桥接模式（Bridge）
装饰模式（Decorator）	1、Collections.synchronizedList例子也是一个装饰器模式 2、装饰器在Junit中的应用。TestDecorator是Test的装饰类，其TestDecorator有一些扩展功能的子类。如RepeatedTest类，TestSetup类等 3、一般情况下，需要使用FileReader和StringReader，如果要增加缓存功能的类有很多，那么子类也就需要很多，所以Java就使用了装饰模式，BufferedReader就是这样的装饰类。其实Java I/O 库中的所有输入流、输出流的类都采用了装饰器模式，它们可以无限次地进行装饰转换，转换的目的就是得到自己想要的数据类型的流对象
组合模式（Composite）
外观模式（Fa?ade）	1、在Spring中已经提供了很好的封装，在org.springframework.jdbc.support包下提供的JdbcUtils类就是这样的工具类 2、在Hibernate的配置工作中，有一个Configuration类，负责管理运行时需要的一些信息
享元模式（Flyweight）	数据据连接池是享元模式的重要应用。在Java中，对于基本类型和字符串类型的实现就采用了享元模式
代理模式（Proxy）	1、在Spring中已经提供了很好的封装，在org.springframework.jdbc.support包下提供的JdbcUtils类就是这样的工具类 2、在Hibernate的配置工作中，有一个Configuration类，负责管理运行时需要的一些信息
行为型模式
模版方法模式（Template Method）	1、在Junit中的TestCase类中 2、在MVC框架的HttpServlet中 3、Spring采用开放式的处理方式，在使用JpaTemplate时，只需要处理具体的SQL语句即可，而创建连接、关闭连接等方法都不需要编写代码，因为不管理是哪种持久层的操作应运，其创建和关闭连接都是一致的，按照相同的顺序执行，这就是模板方法模式的应用
命令模式（Command ）	命令模式在Struts２中的应用。其中action就是命令模式中命令接口，ActionInvocation就是命令模式中命令的调用者
迭代器模式（Iterator ）	java中的Collection，List、Set、Map等，这些集合都有自己的迭代器
观察者模式（Oberver Pattern）
中介者模式（Mediator）
备忘录模式（Memento）
解释器模式（Interpreter）
状态模式（State）
职责链模式（Chain of Responsibility）	责任链在Struts2中的拦截器上有重要应用。
策略模式（Strategy）	1、策略模式允许在程序执行时选择不同的算法.比如在排序时,传入不同的比较器(Comparator),就采用不同的算法 2、Spring的Resource实现思想是典型的策略模式的应用
访问者模式（Visitor）