Java設計模式簡介（一）：建立型模式
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、程式碼設計經驗的總結。使用設計模式是為了可重用程式碼、讓程式碼更容易被他人理解、保證程式碼可靠性。 毫無疑問，設計模式於己於他人於系統都是多贏的，設計模式使程式碼編制真正工程化，設計模式是軟體工程的基石，如同大廈的一塊塊磚石一樣。專案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，設計模式分為三大類：
建立型模式：共物五種：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。在程式需要進行拓展的時候，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。
2、里氏代換原則（Liskov Substitution Principle）：
里氏代換原則 是面向物件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影響時，基類才能被複用，而衍生類也能夠在基礎類上增加新的行為。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閒化的具體步驟的規範。
3、依賴倒轉原則（Dependence Inversion Principle）：
這個是開閉原則的基礎，具體內容：針對介面程式設計，依賴與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。這是一個降低類之間耦合度的意思，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、迪米特原則（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）：
工廠方法模式分為三種：
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();
}
}
執行結果：
this is sms sender!1.2 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：
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();
}
}
執行結果：
this is mailsender!1.3 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();
}
}
執行結果：
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，會不能正確建立物件，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）：
個人覺得原部落格的抽象工廠模式寫的不怎麼正確，關於該部分的內容可以參考這篇文章：Java設計模式（二）之建立型模式：抽象工廠模式
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.class) {
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）：
個人覺得原部落格的建造者模式寫的不怎麼正確，關於該部分的內容可以參考這篇文章：Java設計模式（四）之建立型模式：建造者模式
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;
}
要實現深複製，需要採用流的形式讀入當前物件的二進位制輸入，再寫出二進位制資料對應的物件。
原文轉自：
https://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8194653