23種設計模式全解析-- 設計模式看這一篇就夠了

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

總原則：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，而是要擴充套件原有程式碼，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等，後面的具體設計中我們會提到這點。

1、單一職責原則

不要存在多於一個導致類變更的原因，也就是說每個類應該實現單一的職責，如若不然，就應該把類拆分。

2、里氏替換原則（Liskov Substitution Principle）

里氏代換原則(Liskov Substitution Principle LSP)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象化的具體步驟的規範。—— From Baidu 百科

歷史替換原則中，子類對父類的方法儘量不要重寫和過載。因為父類代表了定義好的結構，通過這個規範的介面與外界互動，子類不應該隨便破壞它。

3、依賴倒轉原則（Dependence Inversion Principle）

這個是開閉原則的基礎，具體內容：面向介面程式設計，依賴於抽象而不依賴於具體。寫程式碼時用到具體類時，不與具體類互動，而與具體類的上層介面互動。

4、介面隔離原則（Interface Segregation Principle）

這個原則的意思是：每個介面中不存在子類用不到卻必須實現的方法，如果不然，就要將介面拆分。使用多個隔離的介面，比使用單個介面（多個介面方法集合到一個的介面）要好。

5、迪米特法則（最少知道原則）（Demeter Principle）

就是說：一個類對自己依賴的類知道的越少越好。也就是說無論被依賴的類多麼複雜，都應該將邏輯封裝在方法的內部，通過public方法提供給外部。這樣當被依賴的類變化時，才能最小的影響該類。

最少知道原則的另一個表達方式是：只與直接的朋友通訊。類之間只要有耦合關係，就叫朋友關係。耦合分為依賴、關聯、聚合、組合等。我們稱出現為成員變數、方法引數、方法返回值中的類為直接朋友。區域性變數、臨時變數則不是直接的朋友。我們要求陌生的類不要作為區域性變量出現在類中。

6、合成複用原則（Composite Reuse Principle）

原則是儘量首先使用合成/聚合的方式，而不是使用繼承。

三、Java的23中設計模式

A、建立模式

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。

首先，簡單工廠模式不屬於23中涉及模式，簡單工廠一般分為：普通簡單工廠、多方法簡單工廠、靜態方法簡單工廠。

0、簡單工廠模式

簡單工廠模式模式分為三種：

01、普通

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();
}
}

輸出：this is sms sender!

02、多個方法

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：

[java] view plain copypublicclass 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!

03、多個靜態方法

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();
}
}

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，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。

1、工廠方法模式（Factory Method）

簡單工廠模式有一個問題就是，類的建立依賴工廠類，也就是說，如果想要拓展程式，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？就用到工廠方法模式，建立一個工廠介面和建立多個工廠實現類，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，不需要修改之前的程式碼。

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();
}
}

在提供一個介面：

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：發及時資訊，則只需做一個實現類，實現Sender介面，同時做一個工廠類，實現Provider介面，就OK了，無需去改動現成的程式碼。這樣做，拓展性較好！

2、抽象工廠模式

工廠方法模式和抽象工廠模式不好分清楚，他們的區別如下：

<span style="background-color: rgb(255, 255, 255);">工廠方法模式：
一個抽象產品類，可以派生出多個具體產品類。   
一個抽象工廠類，可以派生出多個具體工廠類。   
每個具體工廠類只能建立一個具體產品類的例項。

抽象工廠模式：
多個抽象產品類，每個抽象產品類可以派生出多個具體產品類。   
一個抽象工廠類，可以派生出多個具體工廠類。   
每個具體工廠類可以建立多個具體產品類的例項，也就是建立的是一個產品線下的多個產品。   
    
區別：
工廠方法模式只有一個抽象產品類，而抽象工廠模式有多個。   
工廠方法模式的具體工廠類只能建立一個具體產品類的例項，而抽象工廠模式可以建立多個。</span>

<span style="background-color: rgb(255, 255, 255);"><span style="font-family: Helvetica, Tahoma, Arial, sans-serif; line-height: 25.1875px;">工廠方法建立 "一種" 產品，他的著重點在於"怎麼建立"，也就是說如果你開發，你的大量程式碼很可能圍繞著這種產品的構造，初始化這些細節上面。也因為如此，類似的產品之間有很多可以複用的特徵，所以會和模版方法相隨。 </span><br style="font-family: Helvetica, Tahoma, Arial, sans-serif; line-height: 25.1875px;" /><br style="font-family: Helvetica, Tahoma, Arial, sans-serif; line-height: 25.1875px;" /><span style="font-family: Helvetica, Tahoma, Arial, sans-serif; line-height: 25.1875px;">抽象工廠需要建立一些列產品，著重點在於"建立哪些"產品上，也就是說，如果你開發，你的主要任務是劃分不同差異的產品線，並且儘量保持每條產品線介面一致，從而可以從同一個抽象工廠繼承。</span></span>

對於java來說，你能見到的大部分抽象工廠模式都是這樣的：
---它的裡面是一堆工廠方法，每個工廠方法返回某種型別的物件。

比如說工廠可以生產滑鼠和鍵盤。那麼抽象工廠的實現類（它的某個具體子類）的物件都可以生產滑鼠和鍵盤，但可能工廠A生產的是羅技的鍵盤和滑鼠，工廠B是微軟的。

這樣A和B就是工廠，對應於抽象工廠；
每個工廠生產的滑鼠和鍵盤就是產品，對應於工廠方法；

用了工廠方法模式，你替換生成鍵盤的工廠方法，就可以把鍵盤從羅技換到微軟。但是用了抽象工廠模式，你只要換家工廠，就可以同時替換滑鼠和鍵盤一套。如果你要的產品有幾十個，當然用抽象工廠模式一次替換全部最方便（這個工廠會替你用相應的工廠方法）

所以說抽象工廠就像工廠，而工廠方法則像是工廠的一種產品生產線

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) {
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）

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。

B、結構模式（7種）

我們接著討論設計模式，上篇文章我講完了5種建立型模式，這章開始，我將講下7種結構型模式：介面卡模式、裝飾模式、代理模式、外觀模式、橋接模式、組合模式、享元模式。其中物件的介面卡模式是各種模式的起源，我們看下面的圖：

6、介面卡模式

介面卡模式將某個類的介面轉換成客戶端期望的另一個介面表示，目的是消除由於介面不匹配所造成的類的相容性問題。主要分為三類：類的介面卡模式、物件的介面卡模式、介面的介面卡模式。

01、類的介面卡模式

核心思想就是：有一個Source類，擁有一個方法，待適配，目標介面是Targetable，通過Adapter類，將Source的功能擴充套件到Targetable裡，看程式碼：

public class Source {
public void method1() {
System.out.println("this is original method!");
}
}

public interface Targetable {
/* 與原類中的方法相同 */
public void method1();
/* 新類的方法 */
public void method2();
}

public class Adapter extends Source implements Targetable {
@Override
public void method2() {
System.out.println("this is the targetable method!");
}
}

Adapter類繼承Source類，實現Targetable介面，下面是測試類：

public class AdapterTest {
public static void main(String[] args) {
Targetable target = new Adapter();
target.method1();
target.method2();
}
}

輸出：

this is original method!
this is the targetable method!

這樣Targetable介面的實現類就具有了Source類的功能。

02、物件的介面卡模式

基本思路和類的介面卡模式相同，只是將Adapter類作修改，這次不繼承Source類，而是持有Source類的例項，以達到解決相容性的問題。看圖：

只需要修改Adapter類的原始碼即可：

public class Wrapper implements Targetable {
private Source source;
public Wrapper(Source source){
super();
this.source = source;
}
@Override
public void method2() {
System.out.println("this is the targetable method!");
}
@Override
public void method1() {
source.method1();
}
}