設計模式（一）

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。

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。
• 剩餘還有兩類：併發型模式和線程池模式。
  

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種設計模式

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：

1.1 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）
1) 創建二者的共同接口：

public interface Sender {
    public void Send();
}

2) 創建產品的實現類

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!");  
    }  
} 

4) 建立工廠類

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;  
        }  
    }  
}  

5) 測試

public class FactoryTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        SendFactory factory = new SendFactory();  
        Sender sender = factory.produce("sms");  
        sender.Send();  
    }  
}  

1.2 多個工廠方法模式

對普通工廠方法模式進行改進，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：

改動SendFactory類，如下：

public class SendFactory {  

    public Sender produceMail(){  
        return new MailSender();  
    }  

    public Sender produceSms(){  
        return new SmsSender();  
    }  
}  

測試：

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

1.3 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();  
    }  
}

1.4 工廠模式總結

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“缺陷”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。

2.1 抽象工廠模式實例

1) 產品類需實現的接口

public interface Sender {  
    public void Send();  
}  

2) 兩個產品的實現類

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!");  
    }  
} 

3) 工廠類需實現的接口

public interface Provider {  
    public Sender produce();  
}  

4) 兩個工廠的實現類

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

public class SendSmsFactory implements Provider{  
    @Override  
    public Sender produce() {  
        return new SmsSender();  
    }  
}  

5) 測試

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

2.1 抽象工廠模式總結

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。

首先我們寫兩個簡單的單例類：

3.1 餓漢式

public class Singleton {
    private Singleton() {//私有的構造方法
    }
    private static Singleton singleton = new Singleton();//私有的靜態的對象
    public static Singleton getInstance(){//公共的靜態的獲取對象的方法
        return singleton;
    }
}

餓漢式是天生線程安全的。

3.2 懶漢式

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;
    }
}

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。

4.1 建造者模式實例

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

public class Test {  

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

4.2 建造者模式總結

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;
}

轉載自Java之美[從菜鳥到高手演變]之設計模式