结构型模式主要总结了一些类或对象组合在一起的经典结构，这些经典的结构可以解决特定应用场景的问题。
常用的：代理模式、桥接模式、装饰者模式、适配器模式
不常用的：门面模式、组合模式、亨元模式
一、代理模式
它在不改变原始类（或叫被代理类）代码的情况下，通过引入代理类来给原始类附加功能。
1.1 实现方式
-
代理类和原始类实现相同的接口
public interface IUserController { UserVo login(String telephone, String password); UserVo register(String telephone, String password); } public class UserController implements IUserController { //...省略其他属性和方法... @Override public UserVo login(String telephone, String password) { //...省略login逻辑... //...返回UserVo数据... } @Override public UserVo register(String telephone, String password) { //...省略register逻辑... //...返回UserVo数据... } } public class UserControllerProxy implements IUserController { private MetricsCollector metricsCollector; private UserController userController; public UserControllerProxy(UserController userController) { this.userController = userController; this.metricsCollector = new MetricsCollector(); } @Override public UserVo login(String telephone, String password) { long startTimestamp = System.currentTimeMillis(); // 委托 UserVo userVo = userController.login(telephone, password); long endTimeStamp = System.currentTimeMillis(); long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp; RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTimestamp); metricsCollector.recordRequest(requestInfo); return userVo; } @Override public UserVo register(String telephone, String password) { long startTimestamp = System.currentTimeMillis(); UserVo userVo = userController.register(telephone, password); long endTimeStamp = System.currentTimeMillis(); long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp; RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, startTimestamp); metricsCollector.recordRequest(requestInfo); return userVo; } } //UserControllerProxy使用举例 //因为原始类和代理类实现相同的接口，是基于接口而非实现编程 //将UserController类对象替换为UserControllerProxy类对象，不需要改动太多代码 IUserController userController = new UserControllerProxy(newUserController()); -
继承的方式
public class UserControllerProxy extends UserController { private MetricsCollector metricsCollector; public UserControllerProxy() { this.metricsCollector = new MetricsCollector(); } public UserVo login(String telephone, String password) { long startTimestamp = System.currentTimeMillis(); UserVo userVo = super.login(telephone, password); long endTimeStamp = System.currentTimeMillis(); long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp; RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTimestamp); metricsCollector.recordRequest(requestInfo); return userVo; } public UserVo register(String telephone, String password) { long startTimestamp = System.currentTimeMillis(); UserVo userVo = super.register(telephone, password); long endTimeStamp = System.currentTimeMillis(); long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp; RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, startTimestamp); metricsCollector.recordRequest(requestInfo); return userVo; } } //UserControllerProxy使用举例 UserController userController = new UserControllerProxy(); -
动态代理
public class MetricsCollectorProxy { private MetricsCollector metricsCollector; public MetricsCollectorProxy() { this.metricsCollector = new MetricsCollector(); } public Object createProxy(Object proxiedObject) { Class<?>[] interfaces = proxiedObject.getClass().getInterfaces(); DynamicProxyHandler handler = new DynamicProxyHandler(proxiedObject); returnProxy.newProxyInstance(proxiedObject.getClass().getClassLoader(), interfaces, handler); } private class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler { private Object proxiedObject; public DynamicProxyHandler(Object proxiedObject) { this.proxiedObject = proxiedObject; } @Override public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throwsThrowable { long startTimestamp = System.currentTimeMillis(); Object result = method.invoke(proxiedObject, args); long endTimeStamp = System.currentTimeMillis(); long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp; String apiName = proxiedObject.getClass().getName() + ":" +method.getName(); RequestInfo requestInfo = new RequestInfo(apiName, responseTime, startTimestamp); metricsCollector.recordRequest(requestInfo); return result; } } } //MetricsCollectorProxy使用举例 MetricsCollectorProxy proxy = new MetricsCollectorProxy(); IUserController userController = (IUserController) proxy.createProxy(newUserController());
1.2 核心内容
- Subject（抽象主题角色）：它声明了真实主题和代理主题的共同接口，使得在任何使用真实主题的地方都可以使用代理主题，客户端通常需要针对抽象主题角色进行编程。
- Proxy（代理主题角色）：代理主题角色内部包含了对真实主题的引用，从而可以在任何时候操作真实主题对象。在代理主题角色中提供一个与真实主题角色相同的接口，以便在任何时候都可以替代真实主题。代理主题角色还可以控制对真实主题的使用，负责在需要的时候创建和删除真实主题对象，并对真实主题对象的使用加以约束。通常，在代理主题角色中，客户端在调用所引用的真实主题操作之前或之后还需要执行其他操作，而不仅仅是单纯调用真实主题对象中的操作。
- RealSubject（真实主题角色）：它定义了代理角色所代表的真实对象，在真实主题角色中实现了真实的业务操作，客户端可以通过代理主题角色间接调用真实主题角色中定义的操作。
1.3 应用场景：
-
业务系统的非功能性需求开发
监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志
-
代理模式在RPC、缓存中的应用
RPC 框架也可以看作一种代理模式
二、桥接模式
将抽象和实现解耦，让它们可以独立变化。
2.1 实现方式
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");//加载及注册JDBC驱动程序
String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/sample_db?user=root&password=your_password";
Connection con = DriverManager.getConnection(url);
Statement stmt = con.createStatement()；
String query = "select * from test";
ResultSet rs=stmt.executeQuery(query);
while(rs.next()) {
rs.getString(1);
rs.getInt(2);
}
package com.mysql.jdbc;
import java.sql.SQLException;
public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
static {
try {
java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
} catch (SQLException E) {
throw new RuntimeException("Can't register driver!");
}
}
/**
* Construct a new driver and register it with DriverManager
* @throws SQLException if a database error occurs.
*/
public Driver() throws SQLException {
// Required for Class.forName().newInstance()
}
}
public class DriverManager {
private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers = newCopyOnWriteArrayList<DriverInfo>();
//...
static {
loadInitialDrivers();
println("JDBC DriverManager initialized");
}
//...
public static synchronized void registerDriver(java.sql.Driver driver) throws SQLException {
if (driver != null) {
registeredDrivers.addIfAbsent(new DriverInfo(driver));
} else {
throw new NullPointerException();
}
}
public static Connection getConnection(String url, String user, String password) throws SQLException {
java.util.Properties info = new java.util.Properties();
if (user != null) {
info.put("user", user);
}
if (password != null) {
info.put("password", password);
}
return (getConnection(url, info, Reflection.getCallerClass()));
}
//...
}
2.2 核心内容
- Abstraction（抽象类）：用于定义抽象类的接口，它一般是抽象类而不是接口，其中定义了一个Implementor（实现类接口）类型的对象并可以维护该对象。抽象类与Implementor之间具有关联关系，它既可以包含抽象业务方法，也可以包含具体业务方法。
- RefinedAbstraction（扩充抽象类）：扩充由Abstraction定义的接口，通常情况下它不再是抽象类而是具体类。扩充抽象类实现了在Abstraction中声明的抽象业务方法，在RefinedAbstraction中可以调用在Implementor中定义的业务方法。
- Implementor（实现类接口）：定义实现类的接口，这个接口不一定要与Abstraction的接口完全一致，事实上这两个接口可以完全不同。一般而言，Implementor接口仅提供基本操作，而Abstraction定义的接口可能会做更多、更复杂的操作。Implementor接口对这些基本操作进行了声明，而具体实现交给其子类。通过关联关系，在Abstraction中不仅拥有自己的方法，还可以调用到Implementor中定义的方法，使用关联关系来替代继承关系。
- ConcreteImplementor（具体实现类）：具体实现Implementor接口，在不同的ConcreteImplementor中提供基本操作的不同实现。在程序运行时，ConcreteImplementor对象将替换其父类对象，提供给抽象类具体的业务操作方法。
2.3 适用场景
- 如果一个系统需要在抽象类和具体类之间增加更多的灵活性，避免在两个层次之间建立静态的继承关系，通过桥接模式可以使它们在抽象层建立一个关联关系。
- 抽象部分和实现部分可以以继承的方式独立扩展而互不影响，在程序运行时可以动态地将一个抽象类子类的对象和一个实现类子类的对象进行组合，即系统需要对抽象类角色和实现类角色进行动态耦合。
- 一个类存在两个（或多个）独立变化的维度，且这两个（或多个）维度都需要独立进行扩展。
- 对于那些不希望使用继承或因为多层继承导致系统类的个数急剧增加的系统，桥接模式尤为适用。
三、装饰器模式
动态地给一个对象增加一些额外的职责，就增加对象功能来说，装饰模式比生成子类实现更为灵活。装饰模式是一种对象结构型模式。
3.1 实现方式
public abstract class InputStream {
//...
public int read(byte b[]) throws IOException {
return read(b, 0, b.length);
}
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
//...
}
public long skip(long n) throws IOException {
//...
}
public int available() throws IOException {
return 0;
}
public void close() throws IOException {}
public synchronized void mark(int readlimit) {}
public synchronized void reset() throws IOException {
throw new IOException("mark/reset not supported");
}
public boolean markSupported() {
return false;
}
}
public class BufferedInputStream extends InputStream {
protected volatile InputStream in;
protected BufferedInputStream(InputStream in) {
this.in = in;
}
//...实现基于缓存的读数据接口...
}
public class DataInputStream extends InputStream {
protected volatile InputStream in;
protected DataInputStream(InputStream in) {
this.in = in;
}
//...实现读取基本类型数据的接口
}
3.2 核心内容
- Component（抽象构件）：它是具体构件和抽象装饰类的共同父类，声明了在具体构件中实现的业务方法。它的引入可以使客户端以一致的方式处理未被装饰的对象以及装饰之后的对象，实现客户端的透明操作。
- ConcreteComponent（具体构件）：它是抽象构件类的子类，用于定义具体的构件对象，实现了在抽象构件中声明的方法，装饰器可以给它增加额外的职责（方法）。
- Decorator（抽象装饰类）：它也是抽象构件类的子类，用于给具体构件增加职责，但是具体职责在其子类中实现。它维护一个指向抽象构件对象的引用，通过该引用可以调用装饰之前构件对象的方法，并通过其子类扩展该方法，以达到装饰的目的。
- ConcreteDecorator（具体装饰类）：它是抽象装饰类的子类，负责向构件添加新的职责。每一个具体装饰类都定义了一些新的行为，可以调用在抽象装饰类中定义的方法，并可以增加新的方法用以扩充对象的行为。
3.3 适用场景
- 在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责。
- 当不能采用继承的方式对系统进行扩展或者采用继承不利于系统扩展和维护时可以使用装饰模式。不能采用继承的情况主要有两类：第1类是系统中存在大量独立的扩展，为支持每一种扩展或者扩展之间的组合将产生大量的子类，使得子类数目呈爆炸性增长；第2类是因为类已定义为不能被继承（如Java语言中的final类）。
四、适配器模式
这个模式就是用来做适配的，它将不兼容的接口转换为可兼容的接口，让原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。
4.1 实现方式
-
类适配器：基于继承
public interface ITarget { void f1(); void f2(); void fc(); } public class Adaptee { public void fa() { //... } public void fb() { //... } public void fc() { //... } } public class Adaptor extends Adaptee implements ITarget { public void f1() { super.fa(); } public void f2() { //...重新实现f2()... } // 这里fc()不需要实现，直接继承自Adaptee，这是跟对象适配器最大的不同点 } -
对象适配器：基于组合
public interface ITarget { void f1(); void f2(); void fc(); } public class Adaptee { public void fa() { //... } public void fb() { //... } public void fc() { //... } } public class Adaptor implements ITarget { private Adaptee adaptee; public Adaptor(Adaptee adaptee) { this.adaptee = adaptee; } public void f1() { adaptee.fa(); //委托给Adaptee } public void f2() { //...重新实现f2()... } public void fc() { adaptee.fc(); } }
4.2 核心内容
- Target（目标抽象类）：目标抽象类定义客户所需接口，可以是一个抽象类或接口，也可以是具体类。
- Adapter（适配器类）：适配器可以调用另一个接口，作为一个转换器，对Adaptee和Target进行适配。适配器类是适配器模式的核心，在对象适配器模式中，它通过继承Target并关联一个Adaptee对象使二者产生联系。
- Adaptee（适配者类）：适配者即被适配的角色，它定义了一个已经存在的接口，这个接口需要适配。适配者类一般是一个具体类，包含了客户希望使用的业务方法，在某些情况下可能没有适配者类的源代码。
4.3 适用场景
- 封装有缺陷的接口设计
- 统一多个类的接口设计
- 替换依赖的外部系统
- 兼容老版本接口
- 适配不同格式的数据
五、门面模式
门面模式为子系统提供一组统一的接口，定义一组高层接口让子系统更易用。门面模式也称外观模式。
5.1 实现方式
- 简单演示
class Facade{
private SubSystemA obj1 = new SubSystemA();
private SubSystemB obj2 = new SubSystemB();
private SubSystemC obj3 = new SubSystemC();
public vodid method() {
obj1.methodA();
obj2.methodB();
obj3.methodC();
}
}
- 具体实现
//文件读取类：子系统类
class FileReader{
public String read(String fileNameSrc){
System.out.print("读取文件，获取明文：");
StringBuffer sb = new StringBuffer();
try{
FileInputStream inFS = new FileInputStream(fileNameSrc);
int data;
while((data = inFS.read()) != -1){
sb = sb.append((char)data);
}
inFS.close();
System.out.println(sb.toString());
}catch(FileNotFoundException e){
System.out.println("文件不存在！");
}catch(IOException e){
System.out.println("文件操作错误！");
}
return sb.toString();
}
}
//数据加密类: 子系统类
class CipherMachine {
public String encrypt(String plainText){
System.out.print("数据加密,将明文转换为密文:“);
String es = "";
for( int i = 0; i < plainText.length(); i++ ) {
String c = String.valueOf(plainText.charAt(i) % 7);
es += c;
}
System.out.println(es);
return es;
}
}
//文件保存类：子系统类
class FileWriter {
public void write(String encryptStr,String fileNameDes){
System.out.println("保存密文，写入文件。");
try{
FileOutputStream outFS = new FileOutputStream(fileNameDes);
outFS.write(encryptStr.getBytes());
outFS.close();
}catch(FileNotFoundExcept e){
System.out.println("文件不存在！");
}catch(IOException e){
System.out.println("文件操作错误！");
}
}
}
//加密外观类：外观类
class EncryptFacade {
// 维持对子系统对象的引用
private FileReader reader;
private CipherMachine cipher;
private FileWriter writer;
public EncryptFacade(){
reader = new FileReader();
cipher = new CipherMachine();
writer = new FileWriter();
}
//调用其他对象的业务方法
public void fileEncrypt（String fileNameSrc,String fileNameDes）{
String plainStr = reader.read(fileNameSrc);
String encryptStr = cipher.encrypt(plainStr);
writer.write(encryptStr,fileNameDes);
}
}
//客户端测试代码
class Client{
public static void main(String args[]){
EncryptFacade ef = new EncryptFacade();
ef.fileEncrypt("facade/src.txt","facade/des.txt");
}
}
5.2 核心内容
- Facade（外观角色）：在客户端可以调用这个角色的方法，在外观角色中可以知道相关的（一个或者多个）子系统的功能和责任。在正常情况下，它将所有从客户端发来的请求委派到相应的子系统中去，传递给相应的子系统对象处理。
- SubSystem（子系统角色）：在软件系统中可以有一个或者多个子系统角色。每个子系统可以不是一个单独的类，而是一个类的集合，它实现子系统的功能。每个子系统都可以被客户端直接调用，或者被外观角色调用，它处理由外观类传过来的请求。子系统并不知道外观的存在，对于子系统而言，外观角色仅仅是另外一个客户端而已。
5.3 适用场景
- 当要为访问一系列复杂的子系统提供一个简单入口时可以使用外观模式。
- 客户端程序与多个子系统之间存在很大的依赖性。引入外观类可以将子系统与客户端解耦，从而提高子系统的独立性和可移植性。
- 在层次化结构中，可以使用外观模式定义系统中每一层的入口，层与层之间不直接产生联系，而通过外观类建立联系，降低层之间的耦合度。
六、组合模式
将一组对象组织（Compose）成树形结构，以表示一种“部分 - 整体”的层次结构。组合让客户端可以统一单个对象和组合对象的处理逻辑。
6.1 实现方式
//抽象构件角色
abstract class Component{
public abstract void add(Component c);//增加成员
public abstract void remove(Component c);//删除成员
public abstract Component getChild(int i);//获取成员
public abstract void operation();//业务方法
}
//叶子构件
class Leaf extends Component{
public void add(Component c){
//异常处理或错误提示
}
public void remove(Component c){
//异常处理或错误提示
}
public Component getÇhild(int i){
//异常处理或错误提示
}
public void operation(){
//叶子构件具体业务方法的实现
}
}
//容器构件
class Composite extends Component{
private ArrayList<Component> list = new ArrayList<Component>();
public void add(Component c){
list.add(c);
}
public void remove(Component c){
list.remove(c);
}
public Component getÇhild(int i){
return (Component)list.get(i);
}
public void operation(){
//容器构件具体业务方法的实现
//递归调用成员构件的业务方法
for(Object obj:list){
((Component)obj).operation();
}
}
}
6.2 核心内容
- Component（抽象构件）：它可以是接口或抽象类，为叶子构件和容器构件对象声明接口，在该角色中可以包含所有子类共有行为的声明和实现。在抽象构件中定义了访问及管理它的子构件的方法，例如增加子构件、删除子构件、获取子构件等。
- Leaf（叶子构件）：它在组合模式结构中表示叶子节点对象。叶子节点没有子节点，它实现了在抽象构件中定义的行为。对于那些访问及管理子构件的方法，可以通过捕获异常等方式进行处理。
- Composite（容器构件）：它在组合模式结构中表示容器节点对象。容器节点包含子节点，其子节点可以是叶子节点，也可以是容器节点。它提供一个集合用于存储子节点，实现了在抽象构件中定义的行为，包括那些访问及管理子构件的方法，在其业务方法中可以递归调用其子节点的业务方法。
6.3 适用场景
- 在具有整体和部分的层次结构中，希望通过一种方式忽略整体与部分的差异，客户端可以一致性地对待它们。
- 在一个使用面向对象语言开发的系统中需要处理一个树形结构。
- 在一个系统中能够分离出叶子对象和容器对象，而且它们的类型不固定，将来需要增加一些新的类型。
七、亨元模式
所谓“享元”，顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象。
7.1 实现方式
享元模式的代码实现非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个 Map 或者 List 来缓存已经创建好的享元对象，以达到复用的目的。
public class CharacterStyle {
private Font font;
private int size;
private int colorRGB;
public CharacterStyle(Font font, int size, int colorRGB) {
this.font = font;
this.size = size;
this.colorRGB = colorRGB;
}
@Override
public boolean equals(Object o) {
CharacterStyle otherStyle = (CharacterStyle) o;
return font.equals(otherStyle.font)
&& size == otherStyle.size
&& colorRGB == otherStyle.colorRGB;
}
}
public class CharacterStyleFactory {
private static final List<CharacterStyle> styles = new ArrayList<>();
public static CharacterStyle getStyle(Font font, int size, int colorRGB) {
CharacterStyle newStyle = new CharacterStyle(font, size, colorRGB);
for (CharacterStyle style : styles) {
if (style.equals(newStyle)) {
return style;
}
}
styles.add(newStyle);
return newStyle;
}
}
public class Character {
private char c;
private CharacterStyle style;
public Character(char c, CharacterStyle style) {
this.c = c;
this.style = style;
}
}
public class Editor {
private List<Character> chars = new ArrayList<>();
public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) {
Character character = new Character(c, CharacterStyleFactory.getStyle(font, size, colorRGB));
chars.add(character);
}
}
7.2 核心内容
- Flyweight（抽象享元类）：通常是一个接口或抽象类，在抽象享元类中声明了具体享元类公共的方法，这些方法可以向外界提供享元对象的内部数据（内部状态），同时也可以通过这些方法来设置外部数据（外部状态）。
- ConcreteFlyweight（具体享元类）：它实现了抽象享元类，其实例称为享元对象。在具体享元类中为内部状态提供了存储空间。通常，可以结合单例模式来设计具体享元类，为每个具体享元类提供唯一的享元对象。
- UnsharedConcreteFlyweight（非共享具体享元类）：并不是所有的抽象享元类的子类都需要被共享，不能被共享的子类可设计为非共享具体享元类。当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建。
- FlyweightFactory（享元工厂类）：享元工厂类用于创建并管理享元对象，它针对抽象享元类编程，将各种类型的具体享元对象存储在一个享元池中。享元池一般设计为一个存储“键值对”的集合（也可以是其他类型的集合），可以结合工厂模式进行设计。当用户请求一个具体享元对象时，享元工厂提供一个存储在享元池中已创建的实例，或者创建一个新的实例（如果不存在的话）并返回新创建的实例，同时将其存储在享元池中。
7.3 适用场景
- 一个系统有大量相同或者相似的对象，造成内存的大量耗费。
- 对象的大部分状态都可以外部化，可以将这些外部状态传入对象中。
- 在使用享元模式时需要维护一个存储享元对象的享元池，而这需要耗费一定的系统资源。因此，在需要多次重复使用同一享元对象时才值得使用享元模式。
