設計模式（Design Patterns）

                                  ——可複用面向物件軟體的基礎

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、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。本章系Java之美[從菜鳥到高手演變]系列

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

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，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

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

這個是開閉原則的基礎，具體內容：真對介面程式設計，依賴於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。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、迪米特法則（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）

工廠方法模式分為三種：

11、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：

1. publicinterface Sender {  
2.     publicvoid Send();  
3. }  

其次，建立實現類：

1. publicclass MailSender implements Sender {  
2.     @Override
3.     publicvoid Send() {  
4.         System.out.println("this is mailsender!");  
5.     }  
6. }  

1. publicclass SmsSender implements Sender {  
2.     @Override
3.     publicvoid Send() {  
4.         System.out.println("this is sms sender!");  
5.     }  
6. }  

最後，建工廠類：

1. publicclass SendFactory {  
2.     public Sender produce(String type) {  
3.         if ("mail".equals(type)) {  
4.             returnnew MailSender();  
5.         } elseif ("sms".equals(type)) {  
6.             returnnew SmsSender();  
7.         } else {  
8.             System.out.println("請輸入正確的型別!");  
9.             returnnull;  
10.         }  
11.     }  
12. }  

我們來測試下：

1. publicclass FactoryTest {  
2.     publicstaticvoid main(String[] args) {  
3.         SendFactory factory = new SendFactory();  
4.         Sender sender = factory.produce("sms");  
5.         sender.Send();  
6.     }  
7. }  

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：

1.         returnnew MailSender();  
2.     }  
3.     public Sender produceSms(){  
4.         returnnew SmsSender();  
5.     }  
6. }  

測試類如下：

1. publicclass FactoryTest {  
2.     publicstaticvoid main(String[] args) {  
3.         SendFactory factory = new SendFactory();  
4.         Sender sender = factory.produceMail();  
5.         sender.Send();  
6.     }  
7. }  

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裡的方法置為靜態的，不需要建立例項，直接呼叫即可。

1. publicclass SendFactory {  
2.     publicstatic Sender produceMail(){  
3.         returnnew MailSender();  
4.     }  
5.     publicstatic Sender produceSms(){  
6.         returnnew SmsSender();  
7.     }  
8. }  

1. publicclass FactoryTest {  
2.     publicstaticvoid main(String[] args) {      
3.         Sender sender = SendFactory.produceMail();  
4.         sender.Send();  
5.     }  
6. }  

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。

2、抽象工廠模式（Abstract Factory）

工廠方法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？就用到抽象工廠模式，建立多個工廠類，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，不需要修改之前的程式碼。因為抽象工廠不太好理解，我們先看看圖，然後就和程式碼，就比較容易理解。

請看例子：

1. publicinterface Sender {  
2.     publicvoid Send();  
3. }  

兩個實現類：

1. publicclass MailSender implements Sender {  
2.     @Override
3.     publicvoid Send() {  
4.         System.out.println("this is mailsender!");  
5.     }  
6. }  

1. publicclass SmsSender implements Sender {  
2.     @Override
3.     publicvoid Send() {  
4.         System.out.println("this is sms sender!");  
5.     }  
6. }  

兩個工廠類：

1. publicclass SendMailFactory implements Provider {  
2.     @Override
3.     public Sender produce(){  
4.         returnnew MailSender();  
5.     }  
6. }  

1. publicclass SendSmsFactory implements Provider{  
2.     @Override
3.     public Sender produce() {  
4.         returnnew SmsSender();  
5.     }  
6. }  

在提供一個介面：

1. publicinterface Provider {  
2.     public Sender produce();  
3. }  

測試類：

1. publicclass Test {  
2.     publicstaticvoid main(String[] args) {  
3.         Provider provider = new SendMailFactory();  
4.         Sender sender = provider.produce();  
5.         sender.Send();  
6.     }  
7. }  

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！

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：

1. publicclass Singleton {  
2.     /* 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 */
3.     privatestatic Singleton instance = null;  
4.     /* 私有構造方法，防止被例項化 */
5.     private Singleton() {  
6.     }  
7.     /* 靜態工程方法，建立例項 */
8.     publicstatic Singleton getInstance() {  
9.         if (instance == null) {  
10.             instance = new Singleton();  
11.         }  
12.         return instance;  
13.     }  
14.     /* 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 */
15.     public Object readResolve() {  
16.         return instance;  
17.     }  
18. }  

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：

1. publicstaticsynchronized Singleton getInstance() {  
2.         if (instance == null) {  
3.             instance = new Singleton();  
4.         }  
5.         return instance;  
6.     }  

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：

1. publicstatic Singleton getInstance() {  
2.         if (instance == null) {  
3.             synchronized (instance) {  
4.                 if (instance == null) {  
5.                     instance = new Singleton();  
6.                 }  
7.             }  
8.         }  
9.         return instance;  
10.     }  

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：

1. privatestaticclass SingletonFactory{           
2.         privatestatic Singleton instance = new Singleton();           
3.     }           
4.     publicstatic Singleton getInstance(){           
5.         return SingletonFactory.instance;           
6.     }   

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：

1. publicclass Singleton {  
2.     /* 私有構造方法，防止被例項化 */
3.     private Singleton() {  
4.     }  
5.     /* 此處使用一個內部類來維護單例 */
6.     privatestaticclass SingletonFactory {  
7.         privatestatic Singleton instance = new Singleton();  
8.     }  
9.     /* 獲取例項 */
10.     publicstatic Singleton getInstance() {  
11.         return SingletonFactory.instance;  
12.     }  
13.     /* 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 */
14.     public Object readResolve() {  
15.         return getInstance();  
16.     }  
17. }  

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：

1. publicclass SingletonTest {  
2.     privatestatic SingletonTest instance = null;  
3.     private SingletonTest() {  
4.     }  
5.     privatestaticsynchronizedvoid syncInit() {  
6.         if (instance == null) {  
7.             instance = new SingletonTest();  
8.         }  
9.     }  
10.     publicstatic SingletonTest getInstance() {  
11.         if (instance == null) {  
12.             syncInit();  
13.         }  
14.         return instance;  
15.     }  
16. }  

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

1. publicclass SingletonTes