设计模式：全面通晓23种设计模式

左手的ㄟ右手 2022-02-02 23:39 229阅读 0赞

> 来源：https://www.cnblogs.com/geek6/p/3951677.html
> 
> 说明：代码没有测设过，仅供参考 ^\_^

**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、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。用一个图片来整体描述一下：

![设计模式：全面通晓23种设计模式(典藏查阅)-第一部分][23_-]

**二、设计模式的六大原则**

**总原则：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，而是要扩展原有代码，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等，后面的具体设计中我们会提到这点。

**1、单一职责原则**

不要存在多于一个导致类变更的原因，也就是说每个类应该实现单一的职责，如若不然，就应该把类拆分。

**2、里氏替换原则（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一。 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。—— From Baidu 百科

历史替换原则中，子类对父类的方法尽量不要重写和重载。因为父类代表了定义好的结构，通过这个规范的接口与外界交互，子类不应该随便破坏它。

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

这个是开闭原则的基础，具体内容：面向接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。写代码时用到具体类时，不与具体类交互，而与具体类的上层接口交互。

**4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）**

这个原则的意思是：每个接口中不存在子类用不到却必须实现的方法，如果不然，就要将接口拆分。使用多个隔离的接口，比使用单个接口（多个接口方法集合到一个的接口）要好。

**5、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）**

就是说：一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说无论被依赖的类多么复杂，都应该将逻辑封装在方法的内部，通过public方法提供给外部。这样当被依赖的类变化时，才能最小的影响该类。

最少知道原则的另一个表达方式是：只与直接的朋友通信。类之间只要有耦合关系，就叫朋友关系。耦合分为依赖、关联、聚合、组合等。我们称出现为成员变量、方法参数、方法返回值中的类为直接朋友。局部变量、临时变量则不是直接的朋友。我们要求陌生的类不要作为局部变量出现在类中。

**6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）**

原则是尽量首先使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

**三、Java的23中设计模式**

**A、创建模式**

从这一块开始，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。

首先，简单工厂模式不属于23中涉及模式，简单工厂一般分为：普通简单工厂、多方法简单工厂、静态方法简单工厂。

**0、简单工厂模式**

简单工厂模式模式分为三种：

***01、普通***

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：

![设计模式：全面通晓23种设计模式(典藏查阅)-第一部分][23_- 1]

举例如下：（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：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **interface** Sender \{
2.  **public** **void** Send();
3.  \}

其次，创建实现类：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** MailSender **implements** Sender \{
2.  @Override
3.  **public** **void** Send() \{
4.  System.out.println("this is mailsender!");
5.  \}
6.  \}

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** SmsSender **implements** Sender \{
2.   
3.  @Override
4.  **public** **void** Send() \{
5.  System.out.println("this is sms sender!");
6.  \}
7.  \}

最后，建工厂类：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** SendFactory \{
2.   
3.  **public** Sender produce(String type) \{
4.  **if** ("mail".equals(type)) \{
5.  **return** **new** MailSender();
6.  \} **else** **if** ("sms".equals(type)) \{
7.  **return** **new** SmsSender();
8.  \} **else** \{
9.  System.out.println("请输入正确的类型!");
10. **return** **null**;
11. \}
12. \}
13. \}

我们来测试下：

1.  **public** **class** FactoryTest \{
2.   
3.  **public** **static** **void** main(String\[\] args) \{
4.  SendFactory factory = **new** SendFactory();
5.  Sender sender = factory.produce("sms");
6.  sender.Send();
7.  \}
8.  \}

输出：this is sms sender!

*02、多个方法*

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：

![设计模式：全面通晓23种设计模式(典藏查阅)-第一部分][23_- 2]

将上面的代码做下修改，改动下SendFactory类就行，如下：

**\[java\]** view plaincopy**public** **class** SendFactory \{

**public** Sender produceMail()\{

1.  **return** **new** MailSender();
2.  \}
3.   
4.  **public** Sender produceSms()\{
5.  **return** **new** SmsSender();
6.  \}
7.  \}

测试类如下：

**\[java\]** view plaincopy

输出：this is mailsender!

*03、多个静态方法*

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。

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** SendFactory \{
2.   
3.  **public** **static** Sender produceMail()\{
4.  **return** **new** MailSender();
5.  \}
6.   
7.  **public** **static** Sender produceSms()\{
8.  **return** **new** SmsSender();
9.  \}
10. \}

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** FactoryTest \{
2.   
3.  **public** **static** **void** main(String\[\] args) \{
4.  Sender sender = SendFactory.produceMail();
5.  sender.Send();
6.  \}
7.  \}

输出：this is mailsender!

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。

**1、工厂方法模式（Factory Method）**

简单工厂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？就用到工厂方法模式，创建一个工厂接口和创建多个工厂实现类，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。

![设计模式：全面通晓23种设计模式(典藏查阅)-第一部分][23_- 3]

请看例子：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **interface** Sender \{
2.  **public** **void** Send();
3.  \}

两个实现类：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** MailSender **implements** Sender \{
2.  @Override
3.  **public** **void** Send() \{
4.  System.out.println("this is mailsender!");
5.  \}
6.  \}

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** SmsSender **implements** Sender \{
2.   
3.  @Override
4.  **public** **void** Send() \{
5.  System.out.println("this is sms sender!");
6.  \}
7.  \}

两个工厂类：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** SendMailFactory **implements** Provider \{
2.   
3.  @Override
4.  **public** Sender produce()\{
5.  **return** **new** MailSender();
6.  \}
7.  \}

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** SendSmsFactory **implements** Provider\{
2.   
3.  @Override
4.  **public** Sender produce() \{
5.  **return** **new** SmsSender();
6.  \}
7.  \}

在提供一个接口：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **interface** Provider \{
2.  **public** Sender produce();
3.  \}

测试类：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** Test \{
2.   
3.  **public** **static** **void** main(String\[\] args) \{
4.  Provider provider = **new** SendMailFactory();
5.  Sender sender = provider.produce();
6.  sender.Send();
7.  \}
8.  \}

其实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！

**2、抽象工厂模式**

工厂方法模式和抽象工厂模式不好分清楚，他们的区别如下：

工厂方法模式：
    一个抽象产品类，可以派生出多个具体产品类。 
    一个抽象工厂类，可以派生出多个具体工厂类。 
    每个具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例。
    抽象工厂模式：
    多个抽象产品类，每个抽象产品类可以派生出多个具体产品类。 
    一个抽象工厂类，可以派生出多个具体工厂类。 
    每个具体工厂类可以创建多个具体产品类的实例，也就是创建的是一个产品线下的多个产品。 
     
    区别：
    工厂方法模式只有一个抽象产品类，而抽象工厂模式有多个。 
    工厂方法模式的具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例，而抽象工厂模式可以创建多个。
    工厂方法创建 "一种" 产品，他的着重点在于"怎么创建"，也就是说如果你开发，你的大量代码很可能围绕着这种产品的构造，初始化这些细节上面。也因为如此，类似的产品之间有很多可以复用的特征，所以会和模版方法相随。 
    抽象工厂需要创建一些列产品，着重点在于"创建哪些"产品上，也就是说，如果你开发，你的主要任务是划分不同差异的产品线，并且尽量保持每条产品线接口一致，从而可以从同一个抽象工厂继承。

对于java来说，你能见到的大部分抽象工厂模式都是这样的：
    ---它的里面是一堆工厂方法，每个工厂方法返回某种类型的对象。
    比如说工厂可以生产鼠标和键盘。那么抽象工厂的实现类（它的某个具体子类）的对象都可以生产鼠标和键盘，但可能工厂A生产的是罗技的键盘和鼠标，工厂B是微软的。
    这样A和B就是工厂，对应于抽象工厂；
    每个工厂生产的鼠标和键盘就是产品，对应于工厂方法；
    用了工厂方法模式，你替换生成键盘的工厂方法，就可以把键盘从罗技换到微软。但是用了抽象工厂模式，你只要换家工厂，就可以同时替换鼠标和键盘一套。如果你要的产品有几十个，当然用抽象工厂模式一次替换全部最方便（这个工厂会替你用相应的工厂方法）
    所以说抽象工厂就像工厂，而工厂方法则像是工厂的一种产品生产线

**3、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：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** Singleton \{
2.   
3.  /\* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 \*/
4.  **private** **static** Singleton instance = **null**;
5.   
6.  /\* 私有构造方法，防止被实例化 \*/
7.  **private** Singleton() \{
8.  \}
9.   
10. /\* 静态工程方法，创建实例 \*/
11. **public** **static** Singleton getInstance() \{
12. **if** (instance == **null**) \{
13. instance = **new** Singleton();
14. \}
15. **return** instance;
16. \}
17.  
18. /\* 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 \*/
19. **public** Object readResolve() \{
20. **return** instance;
21. \}
22. \}

这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了，如何解决？我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字，如下：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **static** **synchronized** Singleton getInstance() \{
2.  **if** (instance == **null**) \{
3.  instance = **new** Singleton();
4.  \}
5.  **return** instance;
6.  \}

但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **static** Singleton getInstance() \{
2.  **if** (instance == **null**) \{
3.  **synchronized** (instance) \{
4.  **if** (instance == **null**) \{
5.  instance = **new** Singleton();
6.  \}
7.  \}
8.  \}
9.  **return** instance;
10. \}

似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：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();语句是分两步执行的。但是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线程同时进入了第一个if判断

b>A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();

c>由于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没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

d>B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了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，于是错误发生了。

所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，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：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **private** **static** **class** SingletonFactory\{
2.  **private** **static** Singleton instance = **new** Singleton();
3.  \}
4.  **public** **static** Singleton getInstance()\{
5.  **return** SingletonFactory.instance;
6.  \}

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** Singleton \{
2.   
3.  /\* 私有构造方法，防止被实例化 \*/
4.  **private** Singleton() \{
5.  \}
6.   
7.  /\* 此处使用一个内部类来维护单例 \*/
8.  **private** **static** **class** SingletonFactory \{
9.  **private** **static** Singleton instance = **new** Singleton();
10. \}
11.  
12. /\* 获取实例 \*/
13. **public** **static** Singleton getInstance() \{
14. **return** SingletonFactory.instance;
15. \}
16.  
17. /\* 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 \*/
18. **public** Object readResolve() \{
19. **return** getInstance();
20. \}
21. \}

其实说它完美，也不一定，如果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，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** SingletonTest \{
2.   
3.  **private** **static** SingletonTest instance = **null**;
4.   
5.  **private** SingletonTest() \{
6.  \}
7.   
8.  **private** **static** **synchronized** **void** syncInit() \{
9.  **if** (instance == **null**) \{
10. instance = **new** SingletonTest();
11. \}
12. \}
13.  
14. **public** **static** SingletonTest getInstance() \{
15. **if** (instance == **null**) \{
16. syncInit();
17. \}
18. **return** instance;
19. \}
20. \}

考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。

**补充：采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新**

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** SingletonTest \{
2.   
3.  **private** **static** SingletonTest instance = **null**;
4.  **private** Vector properties = **null**;
5.   
6.  **public** Vector getProperties() \{
7.  **return** properties;
8.  \}
9.   
10. **private** SingletonTest() \{
11. \}
12.  
13. **private** **static** **synchronized** **void** syncInit() \{
14. **if** (instance == **null**) \{
15. instance = **new** SingletonTest();
16. \}
17. \}
18.  
19. **public** **static** SingletonTest getInstance() \{
20. **if** (instance == **null**) \{
21. syncInit();
22. \}
23. **return** instance;
24. \}
25.  
26. **public** **void** updateProperties() \{
27. SingletonTest shadow = **new** SingletonTest();
28. properties = shadow.getProperties();
29. \}
30. \}

通过单例模式的学习告诉我们：

1、单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。

2、synchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁）。

到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，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。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）

其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。

再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static，无法被覆写。

最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的Java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，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，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像HashMap采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的优点，才能最好的解决问题！

**4、建造者模式（Builder）**

**5、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。本小结会通过对象的复制，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：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** Prototype **implements** Cloneable \{
2.   
3.  **public** Object clone() **throws** CloneNotSupportedException \{
4.  Prototype proto = (Prototype) **super**.clone();
5.  **return** proto;
6.  \}
7.  \}

很简单，一个原型类，只需要实现Cloneable接口，覆写clone方法，此处clone方法可以改成任意的名称，因为Cloneable接口是个空接口，你可以任意定义实现类的方法名，如cloneA或者cloneB，因为此处的重点是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，具体怎么实现，我会在另一篇文章中，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，首先需要了解对象深、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重新创建，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，都是重新创建的。简单来说，就是深复制进行了完全彻底的复制，而浅复制不彻底。

此处，写一个深浅复制的例子：

**\[java\]** view plaincopy

1.  **public** **class** Prototype **implements** Cloneable, Serializable \{
2.   
3.  **private** **static** **final** **long** serialVersionUID = 1L;
4.  **private** String string;
5.   
6.  **private** SerializableObject obj;
7.   
8.  /\* 浅复制 \*/
9.  **public** Object clone() **throws** CloneNotSupportedException \{
10. Prototype proto = (Prototype) **super**.clone();
11. **return** proto;
12. \}
13.  
14. /\* 深复制 \*/
15. **public** Object deepClone() **throws** IOException, ClassNotFoundException \{
16.  
17. /\* 写入当前对象的二进制流 \*/
18. ByteArrayOutputStream bos = **new** ByteArrayOutputStream();
19. ObjectOutputStream oos = **new** ObjectOutputStream(bos);
20. oos.writeObject(**this**);
21.  
22. /\* 读出二进制流产生的新对象 \*/
23. ByteArrayInputStream bis = **new** ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
24. ObjectInputStream ois = **new** ObjectInputStream(bis);
25. **return** ois.readObject();
26. \}
27.  
28. **public** String getString() \{
29. **return** string;
30. \}
31.  
32. **public** **void** setString(String string) \{
33. **this**.string = string;
34. \}
35.  
36. **public** SerializableObject getObj() \{
37. **return** obj;
38. \}
39.  
40. **public** **void** setObj(SerializableObject obj) \{
41. **this**.obj = obj;
42. \}
43.  
44. \}
45.  
46. **class** SerializableObject **implements** Serializable \{
47. **private** **static** **final** **long** serialVersionUID = 1L;
48. \}

要实现深复制，需要采用流的形式读入当前对象的二进制输入，再写出二进制数据对应的对象。

> **转载：http://blog.csdn.net/zhangerqing**
> 
> **代码没有测试，请酌情使用^\_^——**

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[23_- 3]: http://p1.pstatp.com/large/pgc-image/0e81889231d44fe5beb7dbcf98a935cb