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设计模式 1

本贴最后更新于 2399 天前，其中的信息可能已经天翻地覆 
—可复用面向对象软件的基础

​

设计模式（Design pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 毫无疑问，设计模式于己于他人于系统都是多赢的，设计模式使代码编制真正工程化，设计模式是软件工程的基石，如同大厦的一块块砖石一样。项目中合理的运用设计模式可以完美的解决很多问题，每种模式在现在中都有相应的原理来与之对应，每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案，这也是它能被广泛应用的原因。本章系 Java 之美[从菜鸟到高手演变]系列之设计模式，我们会以理论与实践相结合的方式来进行本章的学习，希望广大程序爱好者，学好设计模式，做一个优秀的软件工程师！

企业级项目实战(带源码)地址**：**http://zz563143188.iteye.com/blog/1825168

23 种模式 java 实现源码下载地址 http://pan.baidu.com/share/link?shareid=372668&uk=4076915866#dir/path=%2F%E5%AD%A6%E4%B9%A0%E6%96%87%E4%BB%B6

一、设计模式的分类

总体来说设计模式分为三大类：

创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。

结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

其实还有两类：并发型模式和线程池模式。用一个图片来整体描述一下：

二、设计模式的六大原则

1、开闭原则（Open Close Principle）

开闭原则就是说对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。所以一句话概括就是：为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类，后面的具体设计中我们会提到这点。

2、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP 是继承复用的基石，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。—— From Baidu 百科

3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）

这个是开闭原则的基础，具体内容：真对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。

4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）

这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思，从这儿我们看出，其实设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。所以上文中多次出现：降低依赖，降低耦合。

5、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）

为什么叫最少知道原则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。

6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）

原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

三、Java 的 23 中设计模式

从这一块开始，我们详细介绍 Java 中 23 种设计模式的概念，应用场景等情况，并结合他们的特点及设计模式的原则进行分析。

1、工厂方法模式（Factory Method）

工厂方法模式分为三种：

11、普通工厂模式，就是建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。首先看下关系图：

举例如下：（我们举一个发送邮件和短信的例子）

首先，创建二者的共同接口：

[java] view plaincopy

  1. public interface Sender {
  2. public void Send();
  3. }

其次，创建实现类：

[java] view plaincopy

  1. public class MailSender implements Sender {
  2. @Override
  3. public void Send() {
  4. System.out.println(“this is mailsender!”);
  5. }
  6. }

[java] view plaincopy

  1. public class SmsSender implements Sender {

  2. @Override

  3. public void Send() {

  4. System.out.println(“this is sms sender!”);

  5. }

  6. }

最后，建工厂类：

[java] view plaincopy

  1. public class SendFactory {

  2. public Sender produce(String type) {

  3. if (“mail”.equals(type)) {

  4. return new MailSender();

  5. } else if (“sms”.equals(type)) {

  6. return new SmsSender();

  7. } else {

  8. System.out.println(“请输入正确的类型!”);

  9. return null;

  10. }

  11. }

  12. }

我们来测试下：

  1. public class FactoryTest {

  2. public static void main(String[] args) {

  3. SendFactory factory = new SendFactory();

  4. Sender sender = factory.produce(“sms”);

  5. sender.Send();

  6. }

  7. }

输出：this is sms sender!

22、多个工厂方法模式，是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。关系图：

将上面的代码做下修改，改动下 SendFactory 类就行，如下：

[java] view plaincopypublic class SendFactory {

public Sender produceMail(){

  1. return new MailSender();

  2. }

  3. public Sender produceSms(){

  4. return new SmsSender();

  5. }

  6. }

测试类如下：

[java] view plaincopy

  1. public class FactoryTest {

  2. public static void main(String[] args) {

  3. SendFactory factory = new SendFactory();

  4. Sender sender = factory.produceMail();

  5. sender.Send();

  6. }

  7. }

输出：this is mailsender!

33、静态工厂方法模式，将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。

[java] view plaincopy

  1. public class SendFactory {

  2. public static Sender produceMail(){

  3. return new MailSender();

  4. }

  5. public static Sender produceSms(){

  6. return new SmsSender();

  7. }

  8. }

[java] view plaincopy

  1. public class FactoryTest {

  2. public static void main(String[] args) {

  3. Sender sender = SendFactory.produceMail();

  4. sender.Send();

  5. }

  6. }

输出：this is mailsender!

总体来说，工厂模式适合：凡是出现了大量的产品需要创建，并且具有共同的接口时，可以通过工厂方法模式进行创建。在以上的三种模式中，第一种如果传入的字符串有误，不能正确创建对象，第三种相对于第二种，不需要实例化工厂类，所以，大多数情况下，我们会选用第三种——静态工厂方法模式。

2、抽象工厂模式（Abstract Factory）

工厂方法模式有一个问题就是，类的创建依赖工厂类，也就是说，如果想要拓展程序，必须对工厂类进行修改，这违背了闭包原则，所以，从设计角度考虑，有一定的问题，如何解决？就用到抽象工厂模式，创建多个工厂类，这样一旦需要增加新的功能，直接增加新的工厂类就可以了，不需要修改之前的代码。因为抽象工厂不太好理解，我们先看看图，然后就和代码，就比较容易理解。

请看例子：

[java] view plaincopy

  1. public interface Sender {
  2. public void Send();
  3. }

两个实现类：

[java] view plaincopy

  1. public class MailSender implements Sender {
  2. @Override
  3. public void Send() {
  4. System.out.println(“this is mailsender!”);
  5. }
  6. }

[java] view plaincopy

  1. public class SmsSender implements Sender {

  2. @Override

  3. public void Send() {

  4. System.out.println(“this is sms sender!”);

  5. }

  6. }

两个工厂类：

[java] view plaincopy

  1. public class SendMailFactory implements Provider {

  2. @Override

  3. public Sender produce(){

  4. return new MailSender();

  5. }

  6. }

[java] view plaincopy

  1. public class SendSmsFactory implements Provider{

  2. @Override

  3. public Sender produce() {

  4. return new SmsSender();

  5. }

  6. }

在提供一个接口：

[java] view plaincopy

  1. public interface Provider {
  2. public Sender produce();
  3. }

测试类：

[java] view plaincopy

  1. public class Test {

  2. public static void main(String[] args) {

  3. Provider provider = new SendMailFactory();

  4. Sender sender = provider.produce();

  5. sender.Send();

  6. }

  7. }

其实这个模式的好处就是，如果你现在想增加一个功能：发及时信息，则只需做一个实现类，实现 Sender 接口，同时做一个工厂类，实现 Provider 接口，就 OK 了，无需去改动现成的代码。这样做，拓展性较好！

3、单例模式（Singleton）

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在 Java 应用中，单例对象能保证在一个 JVM 中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。

2、省去了 new 操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻 GC 压力。

3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

首先我们写一个简单的单例类：

[java] view plaincopy

  1. public class Singleton {

  2. /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为 null，目的是实现延迟加载 */

  3. private static Singleton instance = null;

  4. /* 私有构造方法，防止被实例化 */

  5. private Singleton() {

  6. }

  7. /* 静态工程方法，创建实例 */

  8. public static Singleton getInstance() {

  9. if (instance == null) {

  10. instance = new Singleton();

  11. }

  12. return instance;

  13. }

  14. /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */

  15. public Object readResolve() {

  16. return instance;

  17. }

  18. }

这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了，如何解决？我们首先会想到对 getInstance 方法加 synchronized 关键字，如下：

[java] view plaincopy

  1. public static synchronized Singleton getInstance() {
  2. if (instance == null) {
  3. instance = new Singleton();
  4. }
  5. return instance;
  6. }

但是，synchronized 关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用 getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个：

[java] view plaincopy

  1. public static Singleton getInstance() {
  2. if (instance == null) {
  3. synchronized (instance) {
  4. if (instance == null) {
  5. instance = new Singleton();
  6. }
  7. }
  8. }
  9. return instance;
  10. }

似乎解决了之前提到的问题，将 synchronized 关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在 instance 为 null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在 Java 指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说 instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是 JVM 并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能 JVM 会为新的 Singleton 实例分配空间，然后直接赋值给 instance 成员，然后再去初始化这个 Singleton 实例。这样就可能出错了，我们以 A、B 两个线程为例：

a>A、B 线程同时进入了第一个 if 判断

b>A 首先进入 synchronized 块，由于 instance 为 null，所以它执行 instance = new Singleton();

c> 由于 JVM 内部的优化机制，JVM 先画出了一些分配给 Singleton 实例的空白内存，并赋值给 instance 成员（注意此时 JVM 没有开始初始化这个实例），然后 A 离开了 synchronized 块。

d>B 进入 synchronized 块，由于 instance 此时不是 null，因此它马上离开了 synchronized 块并将结果返回给调用该方法的程序。

e> 此时 B 线程打算使用 Singleton 实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们对该程序做进一步优化：

[java] view plaincopy

  1. private static class SingletonFactory{
  2. private static Singleton instance = new Singleton();
  3. }
  4. public static Singleton getInstance(){
  5. return SingletonFactory.instance;
  6. }

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM 内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用 getInstance 的时候，JVM 能够帮我们保证 instance 只被创建一次，并且会保证把赋值给 instance 的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

[java] view plaincopy

  1. public class Singleton {

  2. /* 私有构造方法，防止被实例化 */

  3. private Singleton() {

  4. }

  5. /* 此处使用一个内部类来维护单例 */

  6. private static class SingletonFactory {

  7. private static Singleton instance = new Singleton();

  8. }

  9. /* 获取实例 */

  10. public static Singleton getInstance() {

  11. return SingletonFactory.instance;

  12. }

  13. /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */

  14. public Object readResolve() {

  15. return getInstance();

  16. }

  17. }

其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和 getInstance()分开，单独为创建加 synchronized 关键字，也是可以的：

[java] view plaincopy

  1. public class SingletonTest {

  2. private static SingletonTest instance = null;

  3. private SingletonTest() {

  4. }

  5. private static synchronized void syncInit() {

  6. if (instance == null) {

  7. instance = new SingletonTest();

  8. }

  9. }

  10. public static SingletonTest getInstance() {

  11. if (instance == null) {

  12. syncInit();

  13. }

  14. return instance;

  15. }

  16. }

考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。

  • 设计模式

    设计模式（Design pattern）代表了最佳的实践，通常被有经验的面向对象的软件开发人员所采用。设计模式是软件开发人员在软件开发过程中面临的一般问题的解决方案。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。

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