设计模式扫荡-创建型模式-单例、工厂、抽象工厂、原型

超、凢脫俗 2022-12-15 14:25 175阅读 0赞

# 设计模式扫荡-创建型模式-单例、工厂、抽象工厂、原型 #

### 文章目录 ###

*  设计模式扫荡-创建型模式-单例、工厂、抽象工厂、原型
 *   *  单例模式（Singleton Pattern）
     *  工厂模式（Factory Pattern）
     *  抽象工厂（Abstract Factory Pattern）
     *  建造者模式（Builder Pattern）
     *  原型模式（Prototype Pattern）

## 单例模式（Singleton Pattern） ##

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

> 饿汉单例模式

类加载到内存后，就实例化一个单例，JVM保证线程安全

唯一缺点：不管用到与否，类装载时就完成实例化

public class Mgr01 {
        
        //将对象设成属性、且静态化、且用final修饰表示不准修改
        private static final Mgr01 INSTANCE = new Mgr01();
    
        //私有化构造方法，不让外部new此类
        private Mgr01() {
        };
    
        //通过方法返回实例
        public static Mgr01 getInstance() {
        
            return INSTANCE;
        }
    	// 获取实例方式 类+方法
        // Mgr01 m2 = Mgr01.getInstance();
    }

> 懒汉单例模式

该模式下类加载的时候不实例化，调用方法的时候再实例化

虽然达到了按需初始化的目的，但却带来**线程不安全**的问题

public class Mgr03 {
        
        //作为属性，类加载时先不实例化（new）
        private static Mgr03 INSTANCE; 
    	//私有构造方法
        private Mgr03() {
        
        }
    	//调用本方法时再进行实例化
        public static Mgr03 getInstance() {
        
            //多个线程执行下不安全 会new出多份对象
            if (INSTANCE == null) {
         
                INSTANCE = new Mgr03();
            }
            return INSTANCE;
        }
    }

> 懒汉线程安全单例模式

//对该方法添加 synchroized关键字 使多个线程串行化执行这个方法
        public static synchroized Mgr03 getInstance() {
        
            if (INSTANCE == null) {
         
                INSTANCE = new Mgr03();
            }
            return INSTANCE;
        }

> 双重检验锁的单例模式

public static Mgr06 getInstance() {
        
            //第一重检验
            if (INSTANCE == null) {
                  
                //对Mgr06加锁，线程获得该锁对象才能执行下面代码
                synchronized (Mgr06.class) {
        
                    //第二重检验
                    if(INSTANCE == null) {
          
                        INSTANCE = new Mgr06();
                    }
                }
            }
            return INSTANCE;
        }

相比方法串行化的方式，该方式减少了同步代码块，提高了效率

在方法串行化模式下，每个线程都得进入方法逻辑判断是否存在对象，在双重检验模式下，线程一旦发现已经存在实例化的对象，直接取用，不用等待

> 内部类实现单例懒加载

public class Mgr07 {
        
    
        private Mgr07() {
        
        }
        /*
        * 内部类
        * */
        private static class Mgr07Holder {
        
            //内部类里完成实例化
            private final static Mgr07 INSTANCE = new Mgr07();
        }
        public static Mgr07 getInstance() {
        
            return Mgr07Holder.INSTANCE;
        }
    }

该模式下，加载类Mgr07时不会实例化

同样这种模式线程不安全

## 工厂模式（Factory Pattern） ##

在工厂模式中，我们在创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑，并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象。

例如：图形作为接口、其实现类有原形、方形、椭圆形，使用工厂模式获取圆形对象、方形对象、椭圆对象等…

其UML类图如下：

![cdd1aad4d99b135a235ea6eb28f950a5.png][]

//Shape接口类
    public interface Shape {
        
       void draw();
    }
    
    //椭圆类 实现Shape接口并重写draw方法
    public class Rectangle implements Shape {
        
       @Override
       public void draw() {
        
         // ...
       }
    }
    //方形类
    public class Square implements Shape {
        
       @Override
       public void draw() {
        
    	//...
       }
    }
    //圆形类
    public class Circle implements Shape {
        
       @Override
       public void draw() {
        
    	//...
       }
    }

创建工厂类，用于创建对象

public class ShapeFactory {
        
        
       //使用 getShape 方法获取调用者想要调用的对象类型
       public Shape getShape(String shapeType){
        
          if(shapeType == null){
        
             return null;
          }
           
          if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){
        
             return new Circle();
          } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")){
        
             return new Rectangle();
          } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")){
        
             return new Square();
          }
          return null;
       }
    }

客户调用方式

ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();
          //获取 Circle 的对象，并调用它的 draw 方法
          Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");
          shape1.draw();
          //获取 Rectangle 的对象，并调用它的 draw 方法
          Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");
          shape2.draw();
          //获取 Square 的对象，并调用它的 draw 方法
          Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");
          shape3.draw();

优点：

*  对象创建的逻辑细节就完成了隐蔽，调用者只需要告诉工厂需要哪个形状的对象即可获得该对象
 *  调用者只关心该对象的接口，即面向接口编程
 *  如果你想添加一个与”形状“具有相同性质的类，只需要实现Shape接口并重写draw方法即可（这保证了程序的扩展性）

缺点：

*  每次增加一个产品时，都需要增加一个具体类并修改对象创建工厂（例子中的ShapeFactory类），在一定程度上增加了系统的复杂度

> 注意事项：作为一种创建类模式，在任何需要生成复杂对象的地方，都可以使用工厂方法模式。有一点需要注意的地方就是复杂对象适合使用工厂模式，而简单对象，特别是只需要通过 new 就可以完成创建的对象，无需使用工厂模式。如果使用工厂模式，就需要引入一个工厂类，会增加系统的复杂度。

## 抽象工厂（Abstract Factory Pattern） ##

抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）是围绕一个超级工厂创建其他工厂。

该超级工厂又称为其他工厂的工厂。

在抽象工厂模式中，接口是负责创建一个相关对象的工厂，每个生成的工厂都能按照工厂模式提供对象。

> 举例：游戏中的角色 其有一系列武器、一系列食物、一系列交通工具。
> 
> 武器分为 \[现代武器：AK47\] \[魔法武器：魔法棒\]
> 
> 食物分为 \[现代食物：面包\] \[魔法食物：蘑菇\]
> 
> 交通工具分为 \[现代工具：汽车\] \[魔法道具：扫帚\]
> 
> 如何合理创建这些对象呢？

抽象类及实现类定义（工厂模式）：

//抽象类+抽象方法
    
    //食物
    public abstract class Food {
        
       abstract void eat();
    }
    public class Bread extends Food{
         //面包
        public void printName() {
        
            System.out.println("wdm");
        }
    }
    public class MushRoom extends Food{
         //蘑菇
        public void printName() {
        
            System.out.println("dmg");
        }
    }
    
    //交通
    public abstract class Vehicle {
         
        abstract void go();
    }
    
    public class Broom extends Vehicle{
         //扫帚
        public void go() {
        
            System.out.println("Car go wuwuwuwuw....");
        }
    }
    public class Car extends Vehicle{
         //汽车
        public void go() {
        
            System.out.println("Car go wuwuwuwuw....");
        }
    }
    
    
    //武器
    public abstract class Weapon {
        
        abstract void shoot();
    }
    
    public class AK47 extends Weapon{
         //AK
        public void shoot() {
        
            System.out.println("tututututu....");
        }
    }
    public class MagicStick extends Weapon{
         //魔法棒
        public void shoot() {
        
            System.out.println("diandian....");
        }
    }

> 抽象类与接口：
> 
> 区别仅仅是语义上的不同：一般归结为 - 名词使用抽象类、形容词使用接口

建立抽象工厂，定义创建不同产品族对象的抽象方法：

public abstract class AbastractFactory {
        
        abstract Food createFood(); //生成食物
        abstract Vehicle createVehicle(); //生成武器
        abstract Weapon createWeapon(); //生成交通工具
    }

创建产品族（现代、魔法）工厂，工厂类要继承抽象工厂类并重写抽象工厂的方法

//现代工厂
    public class ModernFactory extends AbastractFactory {
        
        @Override
        Food createFood() {
        
            return new Bread();
        }
        @Override
        Vehicle createVehicle() {
        
            return new Car();
        }
        @Override
        Weapon createWeapon() {
        
            return new AK47();
        }
    }
    
    //魔法工厂
    public class MagicFactory extends AbastractFactory {
        
        @Override
        Food createFood() {
        
            return new MushRoom();
        }
        @Override
        Vehicle createVehicle() {
        
            return new Broom();
        }
        @Override
        Weapon createWeapon() {
        
            return new MagicStick();
        }
    }

那么，最终调用代码如下

//使用抽象工厂的具体族实例化来创建对象 
    	   AbastractFactory f = new ModernFactory(); //现代工厂
            Vehicle c = f.createVehicle();
            c.go();
            Weapon w = f.createWeapon();
            w.shoot();
            Food b = f.createFood();
            b.printName();
    		
    	  //魔法工厂略...

以上代码的UML表示为

![35c5b011acb4008892bf4854ce0515a4.png][]

> 虚线箭头表示为依赖，可以分为创建create依赖与引用依赖
> 
> 优点：当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时，它能保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象，即例子中现代工厂只提供现代产品…
> 
> 缺点：产品族扩展比较困难

## 建造者模式（Builder Pattern） ##

建造者模式（Builder Pattern）使用多个简单的对象一步一步构建成一个复杂的对象。

一个 Builder 类会一步一步构造最终的对象。

该 Builder 类是独立于其他对象的。

建造者模式意图将一个复杂的构建与其表示相分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

建造者模式主要解决在软件系统中，有时候面临着"一个复杂对象"的创建工作，其通常由各个部分的子对象用一定的算法构成；

由于需求的变化，这个复杂对象的各个部分经常面临着剧烈的变化，但是将它们组合在一起的算法却相对稳定

> 现有一个复杂对象Person
> 
>     public class Person {
>          
>      int id;
>      String name;
>      int age;
>      double weight;
>      int score;
>      Location loc;
>      // setter getter 略
>      
>      public Person() {
>          }
>     }
>     
>     //地址对象Info
>     class Location {
>          
>      String street;
>      String roomNo;
>     
>      public Location(String street, String roomNo) {
>          
>          this.street = street;
>          this.roomNo = roomNo;
>      }
>     }
> 
> 该对象的特征为参数过多，并且一个对象的创建并不需要设置所有的属性，那么如何优雅的构建这个对象呢？

使用建造者模式

package com.mashibing.dp.builder;
    
    public class Person {
        
    
        //属性 ... 略
    
        //构造方法-设置成私有
        private Person() {
        }
    
        /**
          * 由PersonBuider充当构造器
          * Prrson作为属性，返回经过加工的person对象
          */
        public static class PersonBuilder {
        
            
            Person p = new Person();
    
            //主属性 非空 返回的是Person
            public PersonBuilder basicInfo(int id, String name, int age) {
        
                p.id = id;
                p.name = name;
                p.age = age;
                // return this 代表 personbuilder对象 
                return this;
            }
    
            /*
            *  以下为可选属性
            * */
    	   //设置重量
            public PersonBuilder weight(double weight) {
        
                p.weight = weight;
                return this;
            }
    		//设置分数属性
            public PersonBuilder score(int score) {
        
                p.score = score;
                return this;
            }
    		//设置地址属性
            public PersonBuilder loc(String street, String roomNo) {
        
                p.loc = new Location(street, roomNo);
                return this;
            }
    		//返回最终设置好的对象
            public Person build() {
        
                return p;
            }
        }
    }
    
    class Location {
        
        // ... 同上
    }

那么主方法调用：

// 链式调用 与 builder模式  配套使用
            Person p = new Person.PersonBuilder()
                    .basicInfo(1, "zhangsan", 18) //主属性参数只顶你
                    //.score(20)
                    .weight(200)
                    //.loc("bj", "23")
                    .build();

其中，建造者Buider与实体Person为强关联-组合关系。  
建造者模式的经典应用：

*  Java中的StringBuilder

注意：与工厂模式对比，建造者更重视于一个复杂对象的装配顺序

## 原型模式（Prototype Pattern） ##

原型模式（Prototype Pattern）是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。

这种模式是实现了一个原型接口，该接口用于创建当前对象的克隆。

当直接创建对象的代价比较大时，或一个对象的属性已经确定，需要产生很多相同对象的时候，则采用这种模式。

例如，一个对象需要在一个高代价的数据库操作之后被创建。我们可以缓存该对象，在下一个请求时返回它的克隆，在需要的时候更新数据库，以此来减少数据库调用。

> 在Java中，自带了原型模式的API
> 
> 其基本原理为：在内存级别上进行对象的复制
> 
> 实现原型模式需要**实现标记型接口Cloneable**
> 
> 一般会**重写clone()方法**

//实现 Cloneable 接口 该接口作为标记接口 在运行时作为被检查的因素
    class Person implements Cloneable {
        
        int age = 8;
        int score = 100;
    	//对象属性
        Location loc = new Location("bj", 22);
    	//重写Object类的clone() method
        @Override
        public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        
            //使用默认的克隆策略 即Object类的克隆方法
            return super.clone();
        }
    }
    
    class Location {
        
        String street; //街道信息
        int roomNo; //门牌号
        public Location(String street, int roomNo) {
        
            this.street = street;
            this.roomNo = roomNo;
        }
    }

区分深克隆和浅克隆：

以上代码在执行完后，内存模型如下

![4ef38f5bdde805a3f9d34d0d7c3581da.png][]

双方引用类型的属性皆指向同一块内存地址

以上成为浅克隆

如果要实现深克隆，需要对Person原型对象的引用类型属性也进行克隆，并将克隆体的引用类型属性指向新的克隆出来的引用类型

代码如下：

class Person implements Cloneable {
        
        int age = 8;
        int score = 100;
    
        Location loc = new Location("bj", 22);
        @Override
        public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        
            Person p = (Person)super.clone();
            //对于引用类型的Location同步进行克隆，并使克隆对象的指针指向它
            p.loc = (Location)loc.clone();
            return p;
        }
    }
    
    //Location也需要实现Cloneable接口
    class Location implements Cloneable {
        
        String street;
        int roomNo;
    	//含参构造器略...
        
        //覆写clone()方法
        @Override
        public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        
            return super.clone();
        }
    }

深克隆的内存模型如下：

![10e8630564b5a134831aaf88587ad499.png][]

> 需要注意的是
> 
> String类型在Java中作为引用类型是比较特殊的
> 
> String类型的对象一般存放于JVM中的运行时常量池，同值的串在常量池中只有一份，所以不管是深克隆还是浅克隆，String类型都指向同一块内存地址

[cdd1aad4d99b135a235ea6eb28f950a5.png]: /images/20221123/a1a7c49663d14792b4e0f4cba124a087.png
[35c5b011acb4008892bf4854ce0515a4.png]: /images/20221123/33a083e665f743f8af1bfb785c21f126.png
[4ef38f5bdde805a3f9d34d0d7c3581da.png]: /images/20221123/4744741edb7f452e8e5776e17aee997a.png
[10e8630564b5a134831aaf88587ad499.png]: /images/20221123/8c6495b312064d07b651f2c85137f9d7.png