設計模式（Design Patterns）
——可複用面向對象軟件的基礎
設計模式（Design pattern）是一套被反覆使用、多數人知曉的、經過分類編目的、代碼設計經驗的總結。使用設計模式是爲了可重用代碼、讓代碼更容易被他人理解、保證代碼可靠性。 毫無疑問，設計模式於己於他人於系統都是多贏的，設計模式使代碼編制真正工程化，設計模式是軟件工程的基石，如同大廈的一塊塊磚石一樣。項目中合理的運用設計模式可以完美的解決很多問題，每種模式在現在中都有相應的原理來與之對應，每一個模式描述了一個在我們周圍不斷重複發生的問題，以及該問題的核心解決方案，這也是它能被廣泛應用的原因。本章系Java之美[從菜鳥到高手演變]系列之設計模式，我們會以理論與實踐相結合的方式來進行本章的學習，希望廣大程序愛好者，學好設計模式，做一個優秀的軟件工程師！
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一、設計模式的分類
總體來說設計模式分爲三大類：
創建型模式，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：適配器模式、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。
行爲型模式，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、解釋器模式。
其實還有兩類：併發型模式和線程池模式。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展開放，對修改關閉。在程序需要進行拓展的時候，不能去修改原有的代碼，實現一個熱插拔的效果。所以一句話概括就是：爲了使程序的擴展性好，易於維護和升級。想要達到這樣的效果，我們需要使用接口和抽象類，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)面向對象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，軟件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爲。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：真對接口編程，依賴於抽象而不依賴於具體。
4、接口隔離原則（Interface Segregation Principle）
這個原則的意思是：使用多個隔離的接口，比使用單個接口要好。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件的設計思想，從大型軟件架構出發，爲了升級和維護方便。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）
爲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，使得系統功能模塊相對獨立。
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）
工廠方法模式分爲三種：
11、普通工廠模式，就是建立一個工廠類，對實現了同一接口的一些類進行實例的創建。首先看下關係圖：
舉例如下：（我們舉一個發送郵件和短信的例子）
首先，創建二者的共同接口：
public interface Sender {
public void Send();
}其次，創建實現類：
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("請輸入正確的類型!");
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，如果傳遞的字符串出錯，則不能正確創建對象，而多個工廠方法模式是提供多個工廠方法，分別創建對象。關係圖：
將上面的代碼做下修改，改動下SendFactory類就行，如下：
public class SendFactory {
public Sender produceMail(){
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裏的方法置爲靜態的，不需要創建實例，直接調用即可。
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創建，並且具有共同的接口時，可以通過工廠方法模式進行創建。在以上的三種模式中，第一種如果傳入的字符串有誤，不能正確創建對象，第三種相對於第二種，不需要實例化工廠類，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，類的創建依賴工廠類，也就是說，如果想要拓展程序，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，創建多個工廠類，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，不需要修改之前的代碼。因爲抽象工廠不太好理解，我們先看看圖，然後就和代碼，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();
}
}在提供一個接口：
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：發及時信息，則只需做一個實現類，實現Sender接口，同時做一個工廠類，實現Provider接口，就OK了，無需去改動現成的代碼。這樣做，拓展性較好！
3、單例模式（Singleton）
單例對象（Singleton）是一種常用的設計模式。在Java應用中，單例對象能保證在一個JVM中，該對象只有一個實例存在。這樣的模式有幾個好處：
1、某些類創建比較頻繁，對於一些大型的對象，這是一筆很大的系統開銷。
2、省去了new操作符，降低了系統內存的使用頻率，減輕GC壓力。
3、有些類如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果該類可以創建多個的話，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，才能保證核心交易服務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 {
/* 持有私有靜態實例，防止被引用，此處賦值爲null，目的是實現延遲加載 */
private static Singleton instance = null;
/* 私有構造方法，防止被實例化 */
private Singleton() {
}
/* 靜態工程方法，創建實例 */
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
/* 如果該對象被用於序列化，可以保證對象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，像這樣毫無線程安全保護的類，如果我們把它放入多線程的環境下，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對象，這樣的用法，在性能上會有所下降，因爲每次調用getInstance()，都要對對象上鎖，事實上，只有在第一次創建對象的時候需要加鎖，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，也就是說當調用的時候是不需要加鎖的，只有在instance爲null，並創建對象的時候才需要加鎖，性能有一定的提升。但是，這樣的情況，還是有可能有問題的，看下面的情況：在Java指令中創建對象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會爲新的Singleton實例分配空間，然後直接賦值給instance成員，然後再去初始化這個Singleton實例。這樣就可能出錯了，我們以A、B兩個線程爲例：
a>A、B線程同時進入了第一個if判斷
b>A首先進入synchronized塊，由於instance爲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實例的空白內存，並賦值給instance成員（注意此時JVM沒有開始初始化這個實例），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塊並將結果返回給調用該方法的程序。
e>此時B線程打算使用Singleton實例，卻發現它沒有被初始化，於是錯誤發生了。
所以程序還是有可能發生錯誤，其實程序在運行過程是很複雜的，從這點我們就可以看出，尤其是在寫多線程環境下的程序更有難度，有挑戰性。我們對該程序做進一步優化：
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加載的時候，這個類的加載過程是線程互斥的。這樣當我們第一次調用getInstance的時候，JVM能夠幫我們保證instance只被創建一次，並且會保證把賦值給instance的內存初始化完畢，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調用的時候使用互斥機制，這樣就解決了低性能問題。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，防止被實例化 */
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();
}
/* 獲取實例 */
public static Singleton getInstance() {
return SingletonFactory.instance;
}
/* 如果該對象被用於序列化，可以保證對象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，如果在構造函數中拋出異常，實例將永遠得不到創建，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：因爲我們只需要在創建類的時候進行同步，所以只要將創建和getInstance()分開，單獨爲創建加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;
}
}考慮性能的話，整個程序只需創建一次實例，所以性能也不會有什麼影響。
補充：採用"影子實例"的辦法爲單例對象的屬性同步更新
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關鍵字鎖定的是對象，在用的時候，一定要在恰當的地方使用（注意需要使用鎖的對象和過程，可能有的時候並不是整個對象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，靜態類不能實現接口。（從類的角度說是可以的，但是那樣就破壞了靜態了。因爲接口中不允許有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加載是初始化。之所以延遲加載，是因爲有些類比較龐大，所以延遲加載有助於提升性能。
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，你可以在裏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採用數組+鏈表來實現一樣，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創建單個類的模式，而建造者模式則是將各種產品集中起來進行管理，用來創建複合對象，所謂複合對象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。我們看一下代碼：
還和前面一樣，一個Sender接口，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集成到一個類裏，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：工廠模式關注的是創建單個產品，而建造者模式則關注創建符合對象，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）
原型模式雖然是創建型的模式，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對象作爲原型，對其進行復制、克隆，產生一個和原對象類似的新對象。本小結會通過對象的複製，進行講解。在Java中，複製對象是通過clone()實現的，先創建一個原型類：
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接口，覆寫clone方法，此處clone方法可以改成任意的名稱，因爲Cloneable接口是個空接口，你可以任意定義實現類的方法名，如cloneA或者cloneB，因爲此處的重點是super.clone()這句話，super.clone()調用的是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中本地方法的調用，此處不再深究。在這兒，我將結合對象的淺複製和深複製來說一下，首先需要了解對象深、淺複製的概念：
淺複製：將一個對象複製後，基本數據類型的變量都會重新創建，而引用類型，指向的還是原對象所指向的。
深複製：將一個對象複製後，不論是基本數據類型還有引用類型，都是重新創建的。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 {
/* 寫入當前對象的二進制流 */
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
oos.writeObject(this);
/* 讀出二進制流產生的新對象 */
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;
}要實現深複製，需要採用流的形式讀入當前對象的二進制輸入，再寫出二進制數據對應的對象。
由於文章篇幅較長，爲了更好的方便讀者閱讀，我將接下了的其它介紹放在另一篇文章中（也許會分兩篇來），感謝大家提出寶貴的意見和建議！