Java開發中的23種設計模式詳解之一：5種建立型模式
一、設計模式的分類
總體來說設計模式分為三大類：
建立型模式，共五種：工廠方法模式、抽象工廠模式、單例模式、建造者模式、原型模式。
結構型模式，共七種：介面卡模式、裝飾器模式、代理模式、外觀模式、橋接模式、組合模式、享元模式。
行為型模式，共十一種：策略模式、模板方法模式、觀察者模式、迭代子模式、責任鏈模式、命令模式、備忘錄模式、狀態模式、訪問者模式、中介者模式、直譯器模式。
其實還有兩類：併發型模式和執行緒池模式。用一個圖片來整體描述一下：
二、設計模式的六大原則
1、開閉原則（Open Close Principle）
開閉原則就是說對擴充套件開放，對修改關閉。在程式需要進行擴充的時候，不能去修改原有的程式碼，實現一個熱插拔的效果。所以一句話概括就是：為了使程式的擴充套件性好，易於維護和升級。想要達到這樣的效果，我們需要使用介面和抽象類，後面的具體設計中我們會提到這點。
2、里氏代換原則（Liskov Substitution Principle）
里氏代換原則(Liskov Substitution Principle LSP)物件導向設計的基本原則之一。 里氏代換原則中說，任何基類可以出現的地方，子類一定可以出現。 LSP是繼承複用的基石，只有當衍生類可以替換掉基類，軟體單位的功能不受到影響時，基類才能真正被複用，而衍生類也能夠在基類的基礎上增加新的行為。里氏代換原則是對“開-閉”原則的補充。實現“開-閉”原則的關鍵步驟就是抽象化。而基類與子類的繼承關係就是抽象化的具體實現，所以里氏代換原則是對實現抽象化的具體步驟的規範。—— From Baidu 百科
3、依賴倒轉原則（Dependence Inversion Principle）
這個是開閉原則的基礎，具體內容：真對介面程式設計，依賴於抽象而不依賴於具體。
4、介面隔離原則（Interface Segregation Principle）
這個原則的意思是：使用多個隔離的介面，比使用單個介面要好。還是一個降低類之間的耦合度的意思，從這兒我們看出，其實設計模式就是一個軟體的設計思想，從大型軟體架構出發，為了升級和維護方便。所以上文中多次出現：降低依賴，降低耦合。
5、迪米特法則（最少知道原則）（Demeter Principle）
為什麼叫最少知道原則，就是說：一個實體應當儘量少的與其他實體之間發生相互作用，使得系統功能模組相對獨立。
6、合成複用原則（Composite Reuse Principle）
原則是儘量使用合成/聚合的方式，而不是使用繼承。
三、Java的23中設計模式
從這一塊開始，我們詳細介紹Java中23種設計模式的概念，應用場景等情況，並結合他們的特點及設計模式的原則進行分析。
1、工廠方法模式（Factory Method）
工廠方法模式分為三種：
11、普通工廠模式，就是建立一個工廠類，對實現了同一介面的一些類進行例項的建立。首先看下關係圖：
舉例如下：（我們舉一個傳送郵件和簡訊的例子）
首先，建立二者的共同介面：
- public interface Sender {
- public void Send();
- }
其次，建立實現類：
- 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!");
- }
- }
最後，建工廠類：
- 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("請輸入正確的型別!");
- return null;
- }
- }
- }
我們來測試下：
- public class FactoryTest {
- public static void main(String[] args) {
- SendFactory factory = new SendFactory();
- Sender sender = factory.produce("sms");
- sender.Send();
- }
- }
輸出：this is sms sender!
22、多個工廠方法模式，是對普通工廠方法模式的改進，在普通工廠方法模式中，如果傳遞的字串出錯，則不能正確建立物件，而多個工廠方法模式是提供多個工廠方法，分別建立物件。關係圖：
將上面的程式碼做下修改，改動下SendFactory類就行，如下：
- return new MailSender();
- }
- public Sender produceSms(){
- return new SmsSender();
- }
- }
測試類如下：
- public class FactoryTest {
- public static void main(String[] args) {
- SendFactory factory = new SendFactory();
- Sender sender = factory.produceMail();
- sender.Send();
- }
- }
輸出：this is mailsender!
33、靜態工廠方法模式，將上面的多個工廠方法模式裡的方法置為靜態的，不需要建立例項，直接呼叫即可。
- 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();
- }
- }
輸出：this is mailsender!
總體來說，工廠模式適合：凡是出現了大量的產品需要建立，並且具有共同的介面時，可以通過工廠方法模式進行建立。在以上的三種模式中，第一種如果傳入的字串有誤，不能正確建立物件，第三種相對於第二種，不需要例項化工廠類，所以，大多數情況下，我們會選用第三種——靜態工廠方法模式。
2、抽象工廠模式（Abstract Factory）
工廠方法模式有一個問題就是，類的建立依賴工廠類，也就是說，如果想要擴充程式，必須對工廠類進行修改，這違背了閉包原則，所以，從設計角度考慮，有一定的問題，如何解決？就用到抽象工廠模式，建立多個工廠類，這樣一旦需要增加新的功能，直接增加新的工廠類就可以了，不需要修改之前的程式碼。因為抽象工廠不太好理解，我們先看看圖，然後就和程式碼，就比較容易理解。
請看例子：
- public interface Sender {
- public void Send();
- }
兩個實現類：
- 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!");
- }
- }
兩個工廠類：
- public class SendMailFactory implements Provider {
- @Override
- public Sender produce(){
- return new MailSender();
- }
- }
- public class SendSmsFactory implements Provider{
- @Override
- public Sender produce() {
- return new SmsSender();
- }
- }
在提供一個介面：
- public interface Provider {
- public Sender produce();
- }
測試類：
- public class Test {
- public static void main(String[] args) {
- Provider provider = new SendMailFactory();
- Sender sender = provider.produce();
- sender.Send();
- }
- }
其實這個模式的好處就是，如果你現在想增加一個功能：發及時資訊，則只需做一個實現類，實現Sender介面，同時做一個工廠類，實現Provider介面，就OK了，無需去改動現成的程式碼。這樣做，擴充性較好！
3、單例模式（Singleton）
單例物件（Singleton）是一種常用的設計模式。在Java應用中，單例物件能保證在一個JVM中，該物件只有一個例項存在。這樣的模式有幾個好處：
1、某些類建立比較頻繁，對於一些大型的物件，這是一筆很大的系統開銷。
2、省去了new操作符，降低了系統記憶體的使用頻率，減輕GC壓力。
3、有些類如交易所的核心交易引擎，控制著交易流程，如果該類可以建立多個的話，系統完全亂了。（比如一個軍隊出現了多個司令員同時指揮，肯定會亂成一團），所以只有使用單例模式，才能保證核心交易伺服器獨立控制整個流程。
首先我們寫一個簡單的單例類：
- public class Singleton {
- /* 持有私有靜態例項，防止被引用，此處賦值為null，目的是實現延遲載入 */
- private static Singleton instance = null;
- /* 私有構造方法，防止被例項化 */
- private Singleton() {
- }
- /* 靜態工程方法，建立例項 */
- public static Singleton getInstance() {
- if (instance == null) {
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
- /* 如果該物件被用於序列化，可以保證物件在序列化前後保持一致 */
- public Object readResolve() {
- return instance;
- }
- }
這個類可以滿足基本要求，但是，像這樣毫無執行緒安全保護的類，如果我們把它放入多執行緒的環境下，肯定就會出現問題了，如何解決？我們首先會想到對getInstance方法加synchronized關鍵字，如下：
- public static synchronized Singleton getInstance() {
- if (instance == null) {
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
但是，synchronized關鍵字鎖住的是這個物件，這樣的用法，在效能上會有所下降，因為每次呼叫getInstance()，都要對物件上鎖，事實上，只有在第一次建立物件的時候需要加鎖，之後就不需要了，所以，這個地方需要改進。我們改成下面這個：
- public static Singleton getInstance() {
- if (instance == null) {
- synchronized (instance) {
- if (instance == null) {
- instance = new Singleton();
- }
- }
- }
- return instance;
- }
似乎解決了之前提到的問題，將synchronized關鍵字加在了內部，也就是說當呼叫的時候是不需要加鎖的，只有在instance為null，並建立物件的時候才需要加鎖，效能有一定的提升。但是，這樣的情況，還是有可能有問題的，看下面的情況：在Java指令中建立物件和賦值操作是分開進行的，也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執行的。但是JVM並不保證這兩個操作的先後順序，也就是說有可能JVM會為新的Singleton例項分配空間，然後直接賦值給instance成員，然後再去初始化這個Singleton例項。這樣就可能出錯了，我們以A、B兩個執行緒為例：
a>A、B執行緒同時進入了第一個if判斷
b>A首先進入synchronized塊，由於instance為null，所以它執行instance = new Singleton();
c>由於JVM內部的優化機制，JVM先畫出了一些分配給Singleton例項的空白記憶體，並賦值給instance成員（注意此時JVM沒有開始初始化這個例項），然後A離開了synchronized塊。
d>B進入synchronized塊，由於instance此時不是null，因此它馬上離開了synchronized塊並將結果返回給呼叫該方法的程式。
e>此時B執行緒打算使用Singleton例項，卻發現它沒有被初始化，於是錯誤發生了。
所以程式還是有可能發生錯誤，其實程式在執行過程是很複雜的，從這點我們就可以看出，尤其是在寫多執行緒環境下的程式更有難度，有挑戰性。我們對該程式做進一步優化：
- private static class SingletonFactory{
- private static Singleton instance = new Singleton();
- }
- public static Singleton getInstance(){
- return SingletonFactory.instance;
- }
實際情況是，單例模式使用內部類來維護單例的實現，JVM內部的機制能夠保證當一個類被載入的時候，這個類的載入過程是執行緒互斥的。這樣當我們第一次呼叫getInstance的時候，JVM能夠幫我們保證instance只被建立一次，並且會保證把賦值給instance的記憶體初始化完畢，這樣我們就不用擔心上面的問題。同時該方法也只會在第一次呼叫的時候使用互斥機制，這樣就解決了低效能問題。這樣我們暫時總結一個完美的單例模式：
- public class Singleton {
- /* 私有構造方法，防止被例項化 */
- private Singleton() {
- }
- /* 此處使用一個內部類來維護單例 */
- private static class SingletonFactory {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- }
- /* 獲取例項 */
- public static Singleton getInstance() {
- return SingletonFactory.instance;
- }
- /* 如果該物件被用於序列化，可以保證物件在序列化前後保持一致 */
- public Object readResolve() {
- return getInstance();
- }
- }
其實說它完美，也不一定，如果在建構函式中丟擲異常，例項將永遠得不到建立，也會出錯。所以說，十分完美的東西是沒有的，我們只能根據實際情況，選擇最適合自己應用場景的實現方法。也有人這樣實現：因為我們只需要在建立類的時候進行同步，所以只要將建立和getInstance()分開，單獨為建立加synchronized關鍵字，也是可以的：
- 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;
- }
- }
考慮效能的話，整個程式只需建立一次例項，所以效能也不會有什麼影響。
補充：採用"影子例項"的辦法為單例物件的屬性同步更新
- 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();
- }
- }
通過單例模式的學習告訴我們：
1、單例模式理解起來簡單，但是具體實現起來還是有一定的難度。
2、synchronized關鍵字鎖定的是物件，在用的時候，一定要在恰當的地方使用（注意需要使用鎖的物件和過程，可能有的時候並不是整個物件及整個過程都需要鎖）。
到這兒，單例模式基本已經講完了，結尾處，筆者突然想到另一個問題，就是採用類的靜態方法，實現單例模式的效果，也是可行的，此處二者有什麼不同？
首先，靜態類不能實現介面。（從類的角度說是可以的，但是那樣就破壞了靜態了。因為介面中不允許有static修飾的方法，所以即使實現了也是非靜態的）
其次，單例可以被延遲初始化，靜態類一般在第一次載入是初始化。之所以延遲載入，是因為有些類比較龐大，所以延遲載入有助於提升效能。
再次，單例類可以被繼承，他的方法可以被覆寫。但是靜態類內部方法都是static，無法被覆寫。
最後一點，單例類比較靈活，畢竟從實現上只是一個普通的Java類，只要滿足單例的基本需求，你可以在裡面隨心所欲的實現一些其它功能，但是靜態類不行。從上面這些概括中，基本可以看出二者的區別，但是，從另一方面講，我們上面最後實現的那個單例模式，內部就是用一個靜態類來實現的，所以，二者有很大的關聯，只是我們考慮問題的層面不同罷了。兩種思想的結合，才能造就出完美的解決方案，就像HashMap採用陣列+連結串列來實現一樣，其實生活中很多事情都是這樣，單用不同的方法來處理問題，總是有優點也有缺點，最完美的方法是，結合各個方法的優點，才能最好的解決問題！
4、建造者模式（Builder）
工廠類模式提供的是建立單個類的模式，而建造者模式則是將各種產品集中起來進行管理，用來建立複合物件，所謂複合物件就是指某個類具有不同的屬性，其實建造者模式就是前面抽象工廠模式和最後的Test結合起來得到的。我們看一下程式碼：
還和前面一樣，一個Sender介面，兩個實現類MailSender和SmsSender。最後，建造者類如下：
- 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());
- }
- }
- }
測試類：
- public class Test {
- public static void main(String[] args) {
- Builder builder = new Builder();
- builder.produceMailSender(10);
- }
- }
從這點看出，建造者模式將很多功能整合到一個類裡，這個類可以創造出比較複雜的東西。所以與工程模式的區別就是：工廠模式關注的是建立單個產品，而建造者模式則關注建立符合物件，多個部分。因此，是選擇工廠模式還是建造者模式，依實際情況而定。
5、原型模式（Prototype）
原型模式雖然是建立型的模式，但是與工程模式沒有關係，從名字即可看出，該模式的思想就是將一個物件作為原型，對其進行復制、克隆，產生一個和原物件類似的新物件。本小結會通過物件的複製，進行講解。在Java中，複製物件是通過clone()實現的，先建立一個原型類：
- public class Prototype implements Cloneable {
- public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
- Prototype proto = (Prototype) super.clone();
- return proto;
- }
- }
很簡單，一個原型類，只需要實現Cloneable介面，覆寫clone方法，此處clone方法可以改成任意的名稱，因為Cloneable介面是個空介面，你可以任意定義實現類的方法名，如cloneA或者cloneB，因為此處的重點是super.clone()這句話，super.clone()呼叫的是Object的clone()方法，而在Object類中，clone()是native的，具體怎麼實現，我會在另一篇文章中，關於解讀Java中本地方法的呼叫，此處不再深究。在這兒，我將結合物件的淺複製和深複製來說一下，首先需要了解物件深、淺複製的概念：
淺複製：將一個物件複製後，基本資料型別的變數都會重新建立，而引用型別，指向的還是原物件所指向的。
深複製：將一個物件複製後，不論是基本資料型別還有引用型別，都是重新建立的。簡單來說，就是深複製進行了完全徹底的複製，而淺複製不徹底。
此處，寫一個深淺複製的例子：
- public class Prototype implements Cloneable, Serializable {
- private static final long serialVersionUID = 1L;
- private String string;
- private SerializableObject obj;
- /* 淺複製 */
- public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
- Prototype proto = (Prototype) super.clone();
- return proto;
- }
- /* 深複製 */
- public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
- /* 寫入當前物件的二進位制流 */
- ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
- ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
- oos.writeObject(this);
- /* 讀出二進位制流產生的新物件 */
- 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;
- }
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