写在前面
- 软件设计七大原则
- 开闭原则
- 里氏替换原则
- 依赖倒置原则
- 单一职责原则
- 接口隔离原则
- 迪米特法则
- 合成复用原则
- 创建型模式
- 单例（Singleton）模式
- 原型（Prototype）模式
- 简单工厂（Simple Factory）模式
- 工厂方法（Factory Method）模式
- 抽象工厂（Abstract Factory）模式
- 建造者（Builder）模式
- 结构型模式
- 代理（Proxy）模式
- 适配器（Adapter）模式
- 桥接（Bridge）模式
- 装饰（Decorator）模式
- 外观（Facade）模式
- 享元（Flyweight）模式
- 组合（Composite）模式
- 行为型模式
- 模板方法（Template Method）模式
- 策略（Strategy）模式
- 命令（Command）模式
- 职责链（Chain of Responsibility）模式
- 状态（State）模式
- 观察者（Observer）模式
- 中介者（Mediator）模式
- 迭代器（Iterator）模式
- 访问者（Visitor）模式
- 备忘录（Memento）模式
- 解释器（Interpreter）模式
本系列共四篇笔记分别如下：
创建型模式
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，对象的创建由相关的工厂来完成。
创建型模式分为以下5种。
- 单例（Singleton）模式：某个类只能生成一个实例，该类提供了一个全局访问点供外部获取该实例，其拓展是有限多例模式。
- 原型（Prototype）模式：将一个对象作为原型，通过对其进行复制而克隆出多个和原型类似的新实例。
- 工厂方法（FactoryMethod）模式：定义一个用于创建产品的接口，由子类决定生产什么产品。
- 抽象工厂（AbstractFactory）模式：提供一个创建产品族的接口，其每个子类可以生产一系列相关的产品。
- 建造者（Builder）模式：将一个复杂对象分解成多个相对简单的部分，然后根据不同需要分别创建它们，最后构建成该复杂对象。
单例（Singleton）模式
定义： 指一个类只有一个实例，且该类能自行创建这个实例的一种模式。
特点：
- 单例类只有一个实例对象；
- 该单例对象必须由单例类自行创建；
- 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。
优点：
- 单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存的开销。
- 可以避免对资源的多重占用。
- 单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。
缺点：
- 单例模式一般没有接口，扩展困难。如果要扩展，则除了修改原来的代码，没有第二种途径，违背开闭原则。
- 在并发测试中，单例模式不利于代码调试。在调试过程中，如果单例中的代码没有执行完，也不能模拟生成一个新的对象。
- 单例模式的功能代码通常写在一个类中，如果功能设计不合理，则很容易违背单一职责原则。
应用场景：
- 需要频繁创建的一些类，使用单例可以降低系统的内存压力，减少 GC。
- 某类只要求生成一个对象的时候，如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
- 某些类创建实例时占用资源较多，或实例化耗时较长，且经常使用。
- 某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候，如多线程的线程池、网络连接池等。
- 频繁访问数据库或文件的对象。
- 对于一些控制硬件级别的操作，或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作，如果有多个实例，则系统会完全乱套。
- 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。
实现：
- 单例类：包含一个实例且能自行创建这个实例的类。
- 访问类：使用单例的类。
img01.png
public class LazySingleton {
private static volatile LazySingleton instance = null; //保证 instance 在所有线程中同步
private LazySingleton() {
} //private 避免类在外部被实例化
public static synchronized LazySingleton getInstance() {
//getInstance 方法前加同步
if (instance == null) {
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}
原型（Prototype）模式
定义： 用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。
优点：
- 可以使用深克隆方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份，并将其状态保存起来，简化了创建对象的过程，以便在需要的时候使用（例如恢复到历史某一状态），可辅助实现撤销操作。
缺点：
- 需要为每一个类都配置一个 clone 方法。
- clone 方法位于类的内部，当对已有类进行改造的时候，需要修改代码，违背了开闭原则。
- 当实现深克隆时，需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来会比较麻烦。因此，深克隆、浅克隆需要运用得当。
实现：
- 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的接口。
- 具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
- 访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。
img02.gif
//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable {
Realizetype() {
System.out.println("具体原型创建成功！");
}
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
System.out.println("具体原型复制成功！");
return (Realizetype) super.clone();
}
}
//原型模式的测试类
public class PrototypeTest {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
Realizetype obj1 = new Realizetype();
Realizetype obj2 = (Realizetype) obj1.clone();
System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1 == obj2));
}
}
简单工厂（Simple Factory）模式
定义： 我们把被创建的对象称为“产品”，把创建产品的对象称为“工厂”。如果要创建的产品不多，只要一个工厂类就可以完成，这种模式叫“简单工厂模式”。
简单来说，简单工厂模式有一个具体的工厂类，可以生成多个不同的产品，属于创建型设计模式。简单工厂模式不在 GoF 23 种设计模式之列。
优点：
- 工厂类包含必要的逻辑判断，可以决定在什么时候创建哪一个产品的实例。客户端可以免除直接创建产品对象的职责，很方便的创建出相应的产品。工厂和产品的职责区分明确。
- 客户端无需知道所创建具体产品的类名，只需知道参数即可。
- 也可以引入配置文件，在不修改客户端代码的情况下更换和添加新的具体产品类。
缺点：
- 简单工厂模式的工厂类单一，负责所有产品的创建，职责过重，一旦异常，整个系统将受影响。且工厂类代码会非常臃肿，违背高聚合原则。
- 使用简单工厂模式会增加系统中类的个数（引入新的工厂类），增加系统的复杂度和理解难度。
- 系统扩展困难，一旦增加新产品不得不修改工厂逻辑，在产品类型较多时，可能造成逻辑过于复杂。
- 简单工厂模式使用了 static 工厂方法，造成工厂角色无法形成基于继承的等级结构。
应用场景：
- 对于产品种类相对较少的情况，考虑使用简单工厂模式。使用简单工厂模式的客户端只需要传入工厂类的参数，不需要关心如何创建对象的逻辑，可以很方便地创建所需产品。
实现：
- 简单工厂（SimpleFactory）：是简单工厂模式的核心，负责实现创建所有实例的内部逻辑。工厂类的创建产品类的方法可以被外界直接调用，创建所需的产品对象。
- 抽象产品（Product）：是简单工厂创建的所有对象的父类，负责描述所有实例共有的公共接口。
- 具体产品（ConcreteProduct）：是简单工厂模式的创建目标。
img03.png
public class Client {
public static void main(String[] args) {
}
//抽象产品
public interface Product {
void show();
}
//具体产品：ProductA
static class ConcreteProduct1 implements Product {
public void show() {
System.out.println("具体产品1显示...");
}
}
//具体产品：ProductB
static class ConcreteProduct2 implements Product {
public void show() {
System.out.println("具体产品2显示...");
}
}
final class Const {
static final int PRODUCT_A = 0;
static final int PRODUCT_B = 1;
static final int PRODUCT_C = 2;
}
static class SimpleFactory {
public static Product makeProduct(int kind) {
switch (kind) {
case Const.PRODUCT_A:
return new ConcreteProduct1();
case Const.PRODUCT_B:
return new ConcreteProduct2();
}
return null;
}
}
}
工厂方法（Factory Method）模式
定义： 简单工厂模式违背了开闭原则，而“工厂方法模式”是对简单工厂模式的进一步抽象化，其好处是可以使系统在不修改原来代码的情况下引进新的产品，即满足开闭原则。
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。
- 灵活性增强，对于新产品的创建，只需多写一个相应的工厂类。
- 典型的解耦框架。高层模块只需要知道产品的抽象类，无须关心其他实现类，满足迪米特法则、依赖倒置原则和里氏替换原则。
缺点：
- 类的个数容易过多，增加复杂度
- 增加了系统的抽象性和理解难度
- 抽象产品只能生产一种产品，此弊端可使用抽象工厂模式解决。
应用场景：
- 客户只知道创建产品的工厂名，而不知道具体的产品名。如 TCL 电视工厂、海信电视工厂等。
- 创建对象的任务由多个具体子工厂中的某一个完成，而抽象工厂只提供创建产品的接口。
- 客户不关心创建产品的细节，只关心产品的品牌
实现：
- 抽象工厂（Abstract Factory）：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 newProduct() 来创建产品。
- 具体工厂（ConcreteFactory）：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（Product）：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（ConcreteProduct）：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。
img04.gif
package FactoryMethod;
public class AbstractFactoryTest {
public static void main(String[] args) {
Product a1, a2;
AbstractFactory af1, af2;
af1 = new ConcreteFactory1();
a1 = af1.newProduct();
a1.show();
af2 = new ConcreteFactory2();
a2 = af2.newProduct();
a2.show();
}
}
//抽象产品：提供了产品的接口
interface Product {
public void show();
}
//具体产品1：实现抽象产品中的抽象方法
class ConcreteProduct1 implements Product {
public void show() {
System.out.println("具体产品1显示...");
}
}
//具体产品2：实现抽象产品中的抽象方法
class ConcreteProduct2 implements Product {
public void show() {
System.out.println("具体产品2显示...");
}
}
//抽象工厂：提供了厂品的生成方法
interface AbstractFactory {
public Product newProduct();
}
//具体工厂1：实现了厂品的生成方法
class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory {
public Product newProduct() {
System.out.println("具体工厂1生成-->具体产品1...");
return new ConcreteProduct1();
}
}
//具体工厂2：实现了厂品的生成方法
class ConcreteFactory2 implements AbstractFactory {
public Product newProduct() {
System.out.println("具体工厂2生成-->具体产品2...");
return new ConcreteProduct2();
}
}
抽象工厂（Abstract Factory）模式
定义： 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。
另一方面，当系统中只存在一个等级结构的产品时，抽象工厂模式将退化到工厂方法模式。
优点： （同时具备工厂方法模式的优点）
- 可以在类的内部对产品族中相关联的多等级产品共同管理，而不必专门引入多个新的类来进行管理。
- 当需要产品族时，抽象工厂可以保证客户端始终只使用同一个产品的产品组。
- 抽象工厂增强了程序的可扩展性，当增加一个新的产品族时，不需要修改原代码，满足开闭原则。
缺点：
- 当产品族中需要增加一个新的产品时，所有的工厂类都需要进行修改。增加了系统的抽象性和理解难度。
应用场景：
- 当需要创建的对象是一系列相互关联或相互依赖的产品族时，如电器工厂中的电视机、洗衣机、空调等。
- 系统中有多个产品族，但每次只使用其中的某一族产品。如有人只喜欢穿某一个品牌的衣服和鞋。
- 系统中提供了产品的类库，且所有产品的接口相同，客户端不依赖产品实例的创建细节和内部结构。
实现：
- 抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，它包含多个创建产品的方法 newProduct()，可以创建多个不同等级的产品。
- 具体工厂（Concrete Factory）：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（Product）：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（ConcreteProduct）：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。
img05.gif
抽象工厂模式的结构同工厂方法模式的结构相似，不同的是其产品的种类不止一个，所以创建产品的方法也不止一个。
interface AbstractFactory {
public Product1 newProduct1();
public Product2 newProduct2();
}
class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory {
public Product1 newProduct1() {
System.out.println("具体工厂 1 生成-->具体产品 11...");
return new ConcreteProduct11();
}
public Product2 newProduct2() {
System.out.println("具体工厂 1 生成-->具体产品 21...");
return new ConcreteProduct21();
}
}
建造者（Builder）模式
定义： 指将一个复杂对象的构造与它的表示分离，使同样的构建过程可以创建不同的表示，这样的设计模式被称为建造者模式。它是将一个复杂的对象分解为多个简单的对象，然后一步一步构建而成。它将变与不变相分离，即产品的组成部分是不变的，但每一部分是可以灵活选择的。
建造者模式和工厂模式的关注点不同，建造者模式注重零部件的组装过程，而工厂方法模式更注重零部件的创建过程，但两者可以结合使用。
优点：
- 封装性好，构建和表示分离。
- 扩展性好，各个具体的建造者相互独立，有利于系统的解耦。
- 客户端不必知道产品内部组成的细节，建造者可以对创建过程逐步细化，而不对其它模块产生任何影响，便于控制细节风险。
缺点：
- 产品的组成部分必须相同，这限制了其使用范围。
- 如果产品的内部变化复杂，如果产品内部发生变化，则建造者也要同步修改，后期维护成本较大。
应用场景：
- 相同的方法，不同的执行顺序，产生不同的结果。
- 多个部件或零件，都可以装配到一个对象中，但是产生的结果又不相同。
- 产品类非常复杂，或者产品类中不同的调用顺序产生不同的作用。
- 初始化一个对象特别复杂，参数多，而且很多参数都具有默认值。
实现：
- 产品角色（Product）：它是包含多个组成部件的复杂对象，由具体建造者来创建其各个零部件。
- 抽象建造者（Builder）：它是一个包含创建产品各个子部件的抽象方法的接口，通常还包含一个返回复杂产品的方法 getResult()。
- 具体建造者(Concrete Builder）：实现 Builder 接口，完成复杂产品的各个部件的具体创建方法。
- 指挥者（Director）：它调用建造者对象中的部件构造与装配方法完成复杂对象的创建，在指挥者中不涉及具体产品的信息。
img06.gif
class Product {
private String partA;
private String partB;
private String partC;
public void setPartA(String partA) {
this.partA = partA;
}
public void setPartB(String partB) {
this.partB = partB;
}
public void setPartC(String partC) {
this.partC = partC;
}
public void show() {
//显示产品的特性
}
}
abstract class Builder {
//创建产品对象
protected Product product = new Product();
public abstract void buildPartA();
public abstract void buildPartB();
public abstract void buildPartC();
//返回产品对象
public Product getResult() {
return product;
}
}
public class ConcreteBuilder extends Builder {
public void buildPartA() {
product.setPartA("建造 PartA");
}
public void buildPartB() {
product.setPartB("建造 PartB");
}
public void buildPartC() {
product.setPartC("建造 PartC");
}
}
class Director {
private Builder builder;
public Director(Builder builder) {
this.builder = builder;
}
//产品构建与组装方法
public Product construct() {
builder.buildPartA();
builder.buildPartB();
builder.buildPartC();
return builder.getResult();
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Builder builder = new ConcreteBuilder();
Director director = new Director(builder);
Product product = director.construct();
product.show();
}
}
总结
| 设计模式 | 简述 | 目的 |
|---|---|---|
| 工厂模式 | 不同条件下创建不同实例 | 封装创建细节 |
| 单例模式 | 保证一个类仅有一个实例，并且提供一个全局访问点 | 保证独一无二 |
| 原型模式 | 通过拷贝原型创建新的对象 | 高效创建对象 |
| 建造者模式 | 用来创建复杂的复合对象 | 开放个性配置步骤 |
参考资料
- Java设计模式：23种设计模式全面解析（超级详细）
- 大话设计模式
