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设计模式

2017-02-27

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。

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。

设计模式的六大原则

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。

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle)

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。

依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)

这个是开闭原则的基础,具体内容:针对接口编程,依赖于抽象而不依赖于具体。

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

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。

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。

Java的23种设计模式

工厂方法模式(Factory Method)

工厂方法模式分为三种:

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:
这里写图片描述
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,

public interface Sender {  
    public void Send();  
}  

然后分别创建实现类,

public class MailSender implements Sender {  
    @Override  
    public void Send() {  
        System.out.println("this is mailsender!");  
    }  
} 

public class SmsSender implements Sender {  
    @Override  
    public void Send() {  
        System.out.println("this is sms sender!");  
    }  
}  

最后创建工厂类,

public class SendFactory {  
    public Sender produce(String type) {  
        if ("mail".equals(type)) {  
            return new MailSender();  
        } else if ("sms".equals(type)) {  
            return new SmsSender();  
        } else {  
            System.out.println("请输入正确的类型!");  
            return null;  
        }  
    }  
}  

测试:

public class FactoryTest {  

    public static void main(String[] args) {  
        SendFactory factory = new SendFactory();  
        Sender sender = factory.produce("sms");  
        sender.Send();  
    }  
}  

//输出:this is sms sender!

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:
这里写图片描述
将上面的代码做下修改,改动下SendFactory类,如下:

public class SendFactory {    
    public produceMail(){  
        return new MailSender();  
    }  
    public produceSms(){  
        return new SmsSender();  
    }  
}  

测试类如下:

public class FactoryTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        SendFactory factory = new SendFactory();  
        Sender sender = factory.produceMail();  
        sender.Send();  
    }  
}  

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。

public class SendFactory {  

    public static Sender produceMail(){  
        return new MailSender();  
    }  

    public static Sender produceSms(){  
        return new SmsSender();  
    }  
}  

测试类:

public class FactoryTest {  

    public static void main(String[] args) {      
        Sender sender = SendFactory.produceMail();  
        sender.Send();  
    }  
}  

小结

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。

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:
这里写图片描述
首先定义一个接口:

public interface Sender {  
    public void Send();  
}  

然后创建两个实现类:

public class MailSender implements Sender {  
    @Override  
    public void Send() {  
        System.out.println("this is mailsender!");  
    }  
}  

public class SmsSender implements Sender {  

    @Override  
    public void Send() {  
        System.out.println("this is sms sender!");  
    }  
}  

然后再定义一个接口和2个工厂类:

public interface Provider {  
    public Sender produce();  
}  

public class SendMailFactory implements Provider {  

    @Override  
    public Sender produce(){  
        return new MailSender();  
    }  
}  

public class SendSmsFactory implements Provider{  

    @Override  
    public Sender produce() {  
        return new SmsSender();  
    }  
}  

最后测试一下:

public class Test {  

    public static void main(String[] args) {  
        Provider provider = new SendMailFactory();  
        Sender sender = provider.produce();  
        sender.Send();  
    }  
}  

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!

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:

public class Singleton {  

    /* 私有构造方法,防止被实例化 */  
    private Singleton() {  
    }  

    /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
    }  

    /* 获取实例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  

    /* 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 */  
    public Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}  

建造者模式(Builder)

工厂类模式提供的是创建单个类的模式,而建造者模式则是将各种产品集中起来进行管理,用来创建复合对象,所谓复合对象就是指某个类具有不同的属性,其实建造者模式就是前面抽象工厂模式和最后的Test结合起来得到的。我们看一下代码:
还和前面一样,一个Sender接口,两个实现类MailSender和SmsSender。最后,建造者类如下:

public class Builder {  

    private List<sender> list = new ArrayList<sender>();  

    public void produceMailSender(int count){  
        for(int i=0; i<count; i="0;" int="" new="" pre="" public="" void="">

测试类:

public class Test {  

    public static void main(String[] args) {  
        Builder builder = new Builder();  
        builder.produceMailSender(10);  
    }  
}  

从这点看出,建造者模式将很多功能集成到一个类里,这个类可以创造出比较复杂的东西。所以与工程模式的区别就是:工厂模式关注的是创建单个产品,而建造者模式则关注创建复合对象,多个部分。因此,是选择工厂模式还是建造者模式,依实际情况而定。

原型模式(Prototype)

原型模式虽然是创建型的模式,但是与工程模式没有关系,从名字即可看出,该模式的思想就是将一个对象作为原型,对其进行复制、克隆,产生一个和原对象类似的新对象。这里会通过对象的复制,进行讲解。在Java中,复制对象是通过clone()实现的,先创建一个原型类:

public class Prototype implements Cloneable {  

    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
        Prototype proto = (Prototype) super.clone();  
        return proto;  
    }  
}  

适配器模式

适配器模式是7种结构型模式的起源,我们看下面的图: 这里写图片描述 适配器模式将某个类的接口转换成客户端期望的另一个接口表示,目的是消除由于接口不匹配所造成的类的兼容性问题。主要分为三类:类的适配器模式、对象的适配器模式、接口的适配器模式。首先,我们来看看类的适配器模式。

类的适配器模式

这里写图片描述 核心思想就是:有一个Source类,拥有一个方法,待适配,目标接口时Targetable,通过Adapter类,将Source的功能扩展到Targetable里。

public class Source {  
    public void method1() {  
        System.out.println("this is original method!");  
    }  
}  

public interface Targetable {  

    /* 与原类中的方法相同 */  
    public void method1();  

    /* 新类的方法 */  
    public void method2();  
}  

public class Adapter extends Source implements Targetable {  

    @Override  
    public void method2() {  
        System.out.println("this is the targetable method!");  
    }  
}  

Adapter类继承Source类,实现Targetable接口,下面是测试类:

public class AdapterTest {  

    public static void main(String[] args) {  
        Targetable target = new Adapter();  
        target.method1();  
        target.method2();  
    }  
}  

//输出:
this is original method!
this is the targetable method!

这样Targetable接口的实现类就具有了Source类的功能。

对象的适配器模式

基本思路和类的适配器模式相同,只是将Adapter类作修改,这次不继承Source类,而是持有Source类的实例,以达到解决兼容性的问题。看图: 这里写图片描述 只需要修改Adapter类即可:

public class Wrapper implements Targetable {  

    private Source source;  

    public Wrapper(Source source){  
        super();  
        this.source = source;  
    }  
    @Override  
    public void method2() {  
        System.out.println("this is the targetable method!");  
    }  

    @Override  
    public void method1() {  
        source.method1();  
    }  
}  

测试类:

public class AdapterTest {  

    public static void main(String[] args) {  
        Source source = new Source();  
        Targetable target = new Wrapper(source);  
        target.method1();  
        target.method2();  
    }  
}  

输出与第一种一样,只是适配的方法不同而已。

接口的适配器模式

第三种适配器模式是接口的适配器模式,接口的适配器是这样的:有时我们写的一个接口中有多个抽象方法,当我们写该接口的实现类时,必须实现该接口的所有方法,这明显有时比较浪费,因为并不是所有的方法都是我们需要的,有时只需要某一些,此处为了解决这个问题,我们引入了接口的适配器模式,借助于一个抽象类,该抽象类实现了该接口,实现了所有的方法,而我们不和原始的接口打交道,只和该抽象类取得联系,所以我们写一个类,继承该抽象类,重写我们需要的方法就行。看一下类图: 这里写图片描述 这个很好理解,在实际开发中,我们也常会遇到这种接口中定义了太多的方法,以致于有时我们在一些实现类中并不是都需要。看代码: 接口:

public interface Sourceable {  

    public void method1();  
    public void method2();  
}  

抽象类和两个子类:

public abstract class Wrapper2 implements Sourceable{  

    public void method1(){}  
    public void method2(){}  
}  

public class SourceSub1 extends Wrapper2 {  
    public void method1(){  
        System.out.println("the sourceable interface's first Sub1!");  
    }  
}  

public class SourceSub2 extends Wrapper2 {  
    public void method2(){  
        System.out.println("the sourceable interface's second Sub2!");  
    }  
}  

小结

类的适配器模式:当希望将一个类转换成满足另一个新接口的类时,可以使用类的适配器模式,创建一个新类,继承原有的类,实现新的接口即可。 对象的适配器模式:当希望将一个对象转换成满足另一个新接口的对象时,可以创建一个Wrapper类,持有原类的一个实例,在Wrapper类的方法中,调用实例的方法就行。 接口的适配器模式:当不希望实现一个接口中所有的方法时,可以创建一个抽象类Wrapper,实现所有方法,我们写别的类的时候,继承抽象类即可。

装饰模式(Decorator)

顾名思义,装饰模式就是给一个对象增加一些新的功能,而且是动态的,要求装饰对象和被装饰对象实现同一个接口,装饰对象持有被装饰对象的实例,关系图如下: 这里写图片描述 Source类是被装饰类,Decorator类是一个装饰类,可以为Source类动态地添加一些功能。

代理模式(Proxy)

代理模式就是多一个代理类出来,替原对象进行一些操作,比如我们在租房子的时候会去找中介,为什么呢?因为你对该地区房屋的信息掌握的不够全面,希望找一个更熟悉的人去帮你做,此处的代理就是这个意思。再如我们有的时候打官司,我们需要请律师,因为律师在法律方面有专长,可以替我们进行操作,表达我们的想法。先来看看关系图: 这里写图片描述 代理模式的应用场景: 如果已有的方法在使用的时候需要对原有的方法进行改进,此时有两种办法: 1、修改原有的方法来适应。这样违反了“对扩展开放,对修改关闭”的原则。 2、就是采用一个代理类调用原有的方法,且对产生的结果进行控制。这种方法就是代理模式。 使用代理模式,可以将功能划分的更加清晰,有助于后期维护!

外观模式(Facade)

外观模式是为了解决类与类之间的依赖关系的,像spring一样,可以将类和类之间的关系配置到配置文件中,而外观模式就是将他们的关系放在一个Facade类中,降低了类类之间的耦合度,该模式中没有涉及到接口,看下类图:(我们以一个计算机的启动过程为例) 这里写图片描述

我们先看下实现类:

public class CPU {  

    public void startup(){  
        System.out.println("cpu startup!");  
    }  

    public void shutdown(){  
        System.out.println("cpu shutdown!");  
    }  
}  

public class Memory {  

    public void startup(){  
        System.out.println("memory startup!");  
    }  

    public void shutdown(){  
        System.out.println("memory shutdown!");  
    }  
}  

public class Disk {  

    public void startup(){  
        System.out.println("disk startup!");  
    }  

    public void shutdown(){  
        System.out.println("disk shutdown!");  
    }  
}  

public class Computer {  
    private CPU cpu;  
    private Memory memory;  
    private Disk disk;  

    public Computer(){  
        cpu = new CPU();  
        memory = new Memory();  
        disk = new Disk();  
    }  

    public void startup(){  
        System.out.println("start the computer!");  
        cpu.startup();  
        memory.startup();  
        disk.startup();  
        System.out.println("start computer finished!");  
    }  

    public void shutdown(){  
        System.out.println("begin to close the computer!");  
        cpu.shutdown();  
        memory.shutdown();  
        disk.shutdown();  
        System.out.println("computer closed!");  
    }  
}  

测试:

public class User {  

    public static void main(String[] args) {  
        Computer computer = new Computer();  
        computer.startup();  
        computer.shutdown();  
    }  
}  

如果我们没有Computer类,那么,CPU、Memory、Disk他们之间将会相互持有实例,产生关系,这样会造成严重的依赖,修改一个类,可能会带来其他类的修改,这不是我们想要看到的,有了Computer类,他们之间的关系被放在了Computer类里,这样就起到了解耦的作用,这就是外观模式。

桥接模式(Bridge)

桥接模式就是把事物和其具体实现分开,使他们可以各自独立的变化。桥接的用意是:将抽象化与实现化解耦,使得二者可以独立变化,像我们常用的JDBC桥DriverManager一样,JDBC进行连接数据库的时候,在各个数据库之间进行切换,基本不需要动太多的代码,甚至丝毫不用动,原因就是JDBC提供统一接口,每个数据库提供各自的实现,用一个叫做数据库驱动的程序来桥接就行了。我们来看看关系图: 这里写图片描述

这里写图片描述

组合模式(Composite)

组合模式有时又叫部分-整体模式在处理类似树形结构的问题时比较方便,看看关系图: 这里写图片描述

享元模式(Flyweight)

享元模式的主要目的是实现对象的共享,即共享池,当系统中对象多的时候可以减少内存的开销,通常与工厂模式一起使用。 这里写图片描述

(待续)

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