Java之美[从菜鸟到高手演变]之设计模式

          设计模式（Design Patterns）

                                  ——可复用面向对象软件的基础

设计模式（Design pattern）是一套被重复使用、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easy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project化，设计模式是软件project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能够完美的解决非常多问题，每种模式在如今中都有相应的原理来与之相应，每个模式描写叙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式，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project师！

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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、訪问者模式、中介者模式、解释器模式。

事实上还有两类：并发型模式和线程池模式。用一个图片来总体描写叙述一下：

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，对改动关闭。在程序须要进行拓展的时候，不能去改动原有的代码，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。想要达到这种效果，我们须要使用接口和抽象类，后面的详细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中的一个。 里氏代换原则中说，不论什么基类能够出现的地方，子类一定能够出现。 LSP是继承复用的基石，仅仅有当衍生类能够替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才干真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上添加新的行为。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详细实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的详细步骤的规范。—— From Baidu 百科

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

这个是开闭原则的基础，详细内容：真对接口编程，依赖于抽象而不依赖于详细。

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。还是一个减少类之间的耦合度的意思，从这儿我们看出，事实上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：减少依赖，减少耦合。

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它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

从这一块開始，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：

举比例如以下：（我们举一个发送邮件和短信的样例）

首先，创建二者的共同接口：

public interface Sender {
	public void Send();
}

其次，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，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;
		}
	}
}

我们来測试下：

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!

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，假设传递的字符串出错，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，修改下SendFactory类即可，例如以下：

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

測试类例如以下：

public class FactoryTest {

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

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，不须要创建实例，直接调用就可以。

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

public class FactoryTest {

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

输出：this is mailsender!

整体来说，工厂模式适合：凡是出现了大量的产品须要创建，而且具有共同的接口时，能够通过工厂方法模式进行创建。在以上的三种模式中，第一种假设传入的字符串有误，不能正确创建对象，第三种相对于另外一种，不须要实例化工厂类，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，假设想要拓展程序，必须对工厂类进行改动，这违背了闭包原则，所以，从设计角度考虑，有一定的问题，怎样解决？就用到抽象工厂模式，创建多个工厂类，这样一旦须要添加新的功能，直接添加新的工厂类就能够了，不须要改动之前的代码。由于抽象工厂不太好理解，我们先看看图，然后就和代码，就比較easy理解。

请看样例：

public interface Sender {
	public void Send();
}

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!");
	}
}

两个工厂类：

public class SendMailFactory implements Provider {
	
	@Override
	public Sender produce(){
		return new MailSender();
	}
}

public class SendSmsFactory implements Provider{

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

在提供一个接口：

public interface Provider {
	public Sender produce();
}

測试类：

public class Test {

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

事实上这个模式的优点就是，假设你如今想添加一个功能：发及时信息，则仅仅需做一个实现类，实现Sender接口，同一时候做一个工厂类，实现Provider接口，就OK了，无需去修改现成的代码。这样做，拓展性较好！

3、单例模式（Singleton）

单例对象（Singleton）是一种经常使用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象仅仅有一个实例存在。这种模式有几个优点：

1、某些类创建比較频繁，对于一些大型的对象，这是一笔非常大的系统开销。

2、省去了new操作符，减少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，假设该类能够创建多个的话，系统全然乱了。（比方一个军队出现了多个司令员同一时候指挥，肯定会乱成一团），所以仅仅有使用单例模式，才干保证核心交易server独立控制整个流程。

首先我们写一个简单的单例类：

public class Singleton {

	/* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟载入 */
	private static Singleton instance = null;

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

	/* 静态project方法，创建实例 */
	public static Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}

	/* 假设该对象被用于序列化，能够保证对象在序列化前后保持一致 */
	public Object readResolve() {
		return instance;
	}
}

这个类能够满足基本要求，可是，像这样毫无线程安全保护的类，假设我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现故障了，怎样解决？我们首先会想到对getInstance方法加synchronizedkeyword，例如以下：

public static synchronized Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}

可是，synchronizedkeyword锁住的是这个对象，这种使用方法，在性能上会有所下降，由于每次调用getInstance()，都要对对象上锁，其实，仅仅有在第一次创建对象的时候须要加锁，之后就不须要了，所以，这个地方须要改进。我们改成以下这个：

public static Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			synchronized (instance) {
				if (instance == null) {
					instance = new Singleton();
				}
			}
		}
		return instance;
	}

似乎攻克了之前提到的问题，将synchronizedkeyword加在了内部，也就是说当调用的时候是不须要加锁的，仅仅有在instance为null，并创建对象的时候才须要加锁，性能有一定的提升。可是，这种情况，还是有可能有问题的，看以下的情况：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();语句是分两步运行的。可是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线程同一时候进入了第一个if推断

b>A首先进入synchronized块，因为instance为null，所以它运行instance = new Singleton();

c>因为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没有開始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

d>B进入synchronized块，因为instance此时不是null，因此它立即离开了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，于是发生错误了。

所以程序还是有可能发生错误，事实上程序在运行过程是非常复杂的，从这点我们就能够看出，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：

private static class SingletonFactory{         
        private static Singleton instance = new Singleton();         
    }         
    public static Singleton getInstance(){         
        return SingletonFactory.instance;         
    } 

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制可以保证当一个类被载入的时候，这个类的载入过程是线程相互排斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM可以帮我们保证instance仅仅被创建一次，而且会保证把赋值给instance的内存初始化完成，这样我们就不用操心上面的问题。同一时候该方法也仅仅会在第一次调用的时候使用相互排斥机制，这样就攻克了低性能问题。这样我们临时总结一个完美的单例模式：

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;
	}

	/* 假设该对象被用于序列化，能够保证对象在序列化前后保持一致 */
	public Object readResolve() {
		return getInstance();
	}
}

事实上说它完美，也不一定，假设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，我们仅仅能依据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：由于我们仅仅须要在创建类的时候进行同步，所以仅仅要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronizedkeyword，也是能够的：

public class SingletonTest {

	private static SingletonTest instance = null;

	private SingletonTest() {
	}

	private static synchronized void syncInit() {
		if (instance == null) {
			instance = new SingletonTest();
		}
	}

	public static SingletonTest getInstance() {
		if (instance == null) {
			syncInit();
		}
		return instance;
	}
}

考虑性能的话，整个程序仅仅需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。

补充：採用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新

public class SingletonTest {

	private static SingletonTest instance = null;
	private Vector properties = null;

	public Vector getProperties() {
		return properties;
	}

	private SingletonTest() {
	}

	private static synchronized void syncInit() {
		if (instance == null) {
			instance = new SingletonTest();
		}
	}

	public static SingletonTest getInstance() {
		if (instance == null) {
			syncInit();
		}
		return instance;
	}

	public void updateProperties() {
		SingletonTest shadow = new SingletonTest();
		properties = shadow.getProperties();
	}
}

通过单例模式的学习告诉我们：

1、单例模式理解起来简单，可是详细实现起来还是有一定的难度。

2、synchronizedkeyword锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意须要使用锁的对象和过程，可能有的时候并非整个对象及整个过程都须要锁）。

到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到还有一个问题，就是採用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？

首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是能够的，可是那样就破坏了静态了。由于接口中不同意有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）

其次，单例能够被延迟初始化，静态类一般在第一次载入是初始化。之所以延迟载入，是由于有些类比較庞大，所以延迟载入有助于提升性能。

再次，单例类能够被继承，他的方法能够被覆写。可是静态类内部方法都是static，无法被覆写。

最后一点，单例类比較灵活，毕竟从实现上仅仅是一个普通的Java类，仅仅要满足单例的基本需求，你能够在里面随心所欲的实现一些其他功能，可是静态类不行。从上面这些概括中，基本能够看出二者的差别，可是，从还有一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有非常大的关联，仅仅是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才干造就出完美的解决方式，就像HashMap採用数组+链表来实现一样，事实上生活中非常多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有长处也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的长处，才干最好的解决这个问题！

4、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，事实上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，建造者类例如以下：

public class Builder {
	
	private List<Sender> list = new ArrayList<Sender>();
	
	public void produceMailSender(int count){
		for(int i=0; i<count; i++){
			list.add(new MailSender());
		}
	}
	
	public void produceSmsSender(int count){
		for(int i=0; i<count; i++){
			list.add(new SmsSender());
		}
	}
}

測试类：

public class Test {

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

从这点看出，建造者模式将非常多功能集成到一个类里，这个类能够创造出比較复杂的东西。所以与project模式的差别就是：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符合对象，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。

5、原型模式（Prototype）

原型模式尽管是创建型的模式，可是与project模式没有关系，从名字就可以看出，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，产生一个和原对象相似的新对象。本小结会通过对象的复制，进行解说。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;
	}
}

非常easy，一个原型类，仅仅须要实现Cloneable接口，覆写clone方法，此处clone方法能够改成随意的名称，由于Cloneable接口是个空接口，你能够随意定义实现类的方法名，如cloneA或者cloneB，由于此处的重点是super.clone()这句话，super.clone()调用的是Object的clone()方法，而在Object类中，clone()是native的，详细怎么实现，我会在还有一篇文章中，关于解读Java中本地方法的调用，此处不再深究。在这儿，我将结合对象的浅复制和深复制来说一下，首先须要了解对象深、浅复制的概念：

浅复制：将一个对象复制后，基本数据类型的变量都会又一次创建，而引用类型，指向的还是原对象所指向的。

深复制：将一个对象复制后，不论是基本数据类型还有引用类型，都是又一次创建的。简单来说，就是深复制进行了全然彻底的复制，而浅复制不彻底。

此处，写一个深浅复制的样例：

public class Prototype implements Cloneable, Serializable {

	private static final long serialVersionUID = 1L;
	private String string;

	private SerializableObject obj;

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

	/* 深复制 */
	public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {

		/* 写入当前对象的二进制流 */
		ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
		ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
		oos.writeObject(this);

		/* 读出二进制流产生的新对象 */
		ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
		ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
		return ois.readObject();
	}

	public String getString() {
		return string;
	}

	public void setString(String string) {
		this.string = string;
	}

	public SerializableObject getObj() {
		return obj;
	}

	public void setObj(SerializableObject obj) {
		this.obj = obj;
	}

}

class SerializableObject implements Serializable {
	private static final long serialVersionUID = 1L;
}

要实现深复制，须要採用流的形式读入当前对象的二进制输入，再写出二进制数据相应的对象。

因为文章篇幅较长，为了更好的方便读者阅读，我将接下了的其他介绍放在还有一篇文章中（或许会分两篇来），感谢大家提出宝贵的意见和建议！

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