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JAVA设计模式简介及八种常见设计模式详解
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一、什么是设计模式
设计模式（Design pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 毫无疑问，设计模式于己于他人于系统都是多赢的，设计模式使代码编制真正工程化，设计模式是软件工程的基石，如同大厦的一块块砖石一样。项目中合理的运用设计模式可以完美的解决很多问题，每种模式在现在中都有相应的原理来与之对应，每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案，这也是它能被广泛应用的原因。简单说： 模式：在某些场景下，针对某类问题的某种通用的解决方案。 场景：项目所在的环境 问题：约束条件，项目目标等 解决方案：通用、可复用的设计，解决约束达到目标。 二、设计模式的六大原则因为设计模式就是基于这些原则的实现，所以很有必要了解这些原则，下面主要对面向对象编程的几个原则进行简单介绍。 1、开闭原则（Open Close Principle） 开闭原则就是说对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。所以一句话概括就是：为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类，后面的具体设计中我们会提到这点。 2、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle） 里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。 3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle） 这个是开闭原则的基础，具体内容：真对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。 4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle） 这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思，从这儿我们看出，其实设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。所以上文中多次出现：降低依赖，降低耦合。 5、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle） 为什么叫最少知道原则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。 6、合成复用原则（Composite Reuse Principle） 原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。 三、设计模式的三个分类创建型模式：对象实例化的模式，创建型模式用于解耦对象的实例化过程。 结构型模式：把类或对象结合在一起形成一个更大的结构。 行为型模式：类和对象如何交互，及划分责任和算法。 如下图所示：
四、各分类中模式的关键点 创建型模式 单例模式：某个类只能有一个实例，提供一个全局的访问点。 简单工厂：一个工厂类根据传入的参量决定创建出那一种产品类的实例。 工厂方法：定义一个创建对象的接口，让子类决定实例化那个类。 抽象工厂：创建相关或依赖对象的家族，而无需明确指定具体类。 建造者模式：封装一个复杂对象的构建过程，并可以按步骤构造。 原型模式：通过复制现有的实例来创建新的实例。 结构性模式 适配器模式：将一个类的方法接口转换成客户希望的另外一个接口。 组合模式：将对象组合成树形结构以表示“”部分-整体“”的层次结构。 装饰模式：动态的给对象添加新的功能。 代理模式：为其他对象提供一个代理以便控制这个对象的访问。 亨元（蝇量）模式：通过共享技术来有效的支持大量细粒度的对象。 外观模式：对外提供一个统一的方法，来访问子系统中的一群接口。 桥接模式：将抽象部分和它的实现部分分离，使它们都可以独立的变化。 行为型模式 模板模式：定义一个算法结构，而将一些步骤延迟到子类实现。 解释器模式：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器。 策略模式：定义一系列算法，把他们封装起来，并且使它们可以相互替换。 状态模式：允许一个对象在其对象内部状态改变时改变它的行为。 观察者模式：对象间的一对多的依赖关系。 备忘录模式：在不破坏封装的前提下，保持对象的内部状态。 中介者模式：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。 命令模式：将命令请求封装为一个对象，使得可以用不同的请求来进行参数化。 访问者模式：在不改变数据结构的前提下，增加作用于一组对象元素的新功能。 责任链模式：将请求的发送者和接收者解耦，使的多个对象都有处理这个请求的机会。 迭代器模式：一种遍历访问聚合对象中各个元素的方法，不暴露该对象的内部结构。 五、八种常见设计模式详解 1、单例模式所谓的单例设计指的是一个类只允许产生一个实例化对象。 最好理解的一种设计模式，分为懒汉式和饿汉式。 1.1、饿汉式——构造方法私有化，外部无法产生新的实例化对象，只能通过static方法取得实例化对象 class Singleton { /** * 在类的内部可以访问私有结构，所以可以在类的内部产生实例化对象 */ private static Singleton instance = new Singleton(); /** * private 声明构造 */ private Singleton() { } /** * 返回对象实例 */ public static Singleton getInstance() { return instance; } public void print() { System.out.println("Hello Singleton..."); } }1.2、懒汉式 ——当第一次去使用Singleton对象的时候才会为其产生实例化对象的操作 class Singleton { /** * 声明变量 */ private static volatile Singleton singleton = null; /** * 私有构造方法 */ private Singleton() { } /** * 提供对外方法 * @return */ public static Singleton getInstance() { // 还未实例化 if (singleton == null) { synchronized (Singleton.class) { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } public void print() { System.out.println("Hello World"); } }当多个线程并发执行 getInstance 方法时，懒汉式会存在线程安全问题，所以用到了 synchronized 来实现线程的同步，当一个线程获得锁的时候其他线程就只能在外等待其执行完毕。而饿汉式则不存在线程安全的问题。 2、工厂设计模式工厂模式分为工厂方法模式和抽象工厂模式。 工厂方法模式 工厂方法模式： 1. 工厂方法模式分为三种：普通工厂模式，就是建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。 2. 多个工厂方法模式，是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。 3. 静态工厂方法模式，将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。 2.1、普通工厂模式建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。 interface Sender { void Send(); } class MailSender implements Sender { @Override public void Send() { System.out.println("This is mail sender..."); } } class SmsSender implements Sender { @Override public void Send() { System.out.println("This is sms sender..."); } } public class FactoryPattern { public static void main(String[] args) { Sender sender = produce("mail"); sender.Send(); } public static Sender produce(String str) { if ("mail".equals(str)) { return new MailSender(); } else if ("sms".equals(str)) { return new SmsSender(); } else { System.out.println("输入错误..."); return null; } } }2.2、 多个工厂方法模式 该模式是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。 interface Sender { void Send(); } class MailSender implements Sender { @Override public void Send() { System.out.println("This is mail sender..."); } } class SmsSender implements Sender { @Override public void Send() { System.out.println("This is sms sender..."); } } class SendFactory { public Sender produceMail() { return new MailSender(); } public Sender produceSms() { return new SmsSender(); } } public class FactoryPattern { public static void main(String[] args) { SendFactory factory = new SendFactory(); Sender sender = factory.produceMail(); sender.Send(); } }2.3、 静态工厂方法模式 将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。 interface Sender { void Send(); } class MailSender implements Sender { @Override public void Send() { System.out.println("This is mail sender..."); } } class SmsSender implements Sender { @Override public void Send() { System.out.println("This is sms sender..."); } } class SendFactory { public static Sender produceMail() { return new MailSender(); } public static Sender produceSms() { return new SmsSender(); } } public class FactoryPattern { public static void main(String[] args) { Sender sender = SendFactory.produceMail(); sender.Send(); } }2.4、抽象工厂模式 工厂方法模式有一个问题就是，类的创建依赖工厂类，也就是说，如果想要扩展程序，必须对工厂类进行修改，这违背了闭包原则，所以，从设计角度考虑，有一定的问题，如何解决？ 那么这就用到了抽象工厂模式，创建多个工厂类，这样一旦需要增加新的功能，直接增加新的工厂类就可以了，不需要修改之前的代码。 interface Provider { Sender produce(); } interface Sender { void Send(); } class MailSender implements Sender { public void Send() { System.out.println("This is mail sender..."); } } class SmsSender implements Sender { public void Send() { System.out.println("This is sms sender..."); } } class SendMailFactory implements Provider { public Sender produce() { return new MailSender(); } } class SendSmsFactory implements Provider { public Sender produce() { return new SmsSender(); } } public class FactoryPattern { public static void main(String[] args) { Provider provider = new SendMailFactory(); Sender sender = provider.produce(); sender.Send(); } }3、 建造者模式 工厂类模式提供的是创建单个类的模式，而建造者模式则是将各种产品集中起来管理，用来创建复合对象，所谓复合对象就是指某个类具有不同的属性。 import java.util.ArrayList; import java.util.List; /** * @Author: LiuWang * @Created: 2018/8/6 17:47 */ abstract class Builder { /** * 第一步：装CPU */ public abstract void buildCPU(); /** * 第二步：装主板 */ public abstract void buildMainBoard(); /** * 第三步：装硬盘 */ public abstract void buildHD(); /** * 获得组装好的电脑 * @return */ public abstract Computer getComputer(); } /** * 装机人员装机 */ class Director { public void Construct(Builder builder) { builder.buildCPU(); builder.buildMainBoard(); builder.buildHD(); } } /** * 具体的装机人员 */ class ConcreteBuilder extends Builder { Computer computer = new Computer(); @Override public void buildCPU() { computer.Add("装CPU"); } @Override public void buildMainBoard() { computer.Add("装主板"); } @Override public void buildHD() { computer.Add("装硬盘"); } @Override public Computer getComputer() { return computer; } } class Computer { /** * 电脑组件集合 */ private List parts = new ArrayList(); public void Add(String part) { parts.add(part); } public void print() { for (int i = 0; i < parts.size(); i++) { System.out.println("组件:" + parts.get(i) + "装好了..."); } System.out.println("电脑组装完毕..."); } } public class BuilderPattern { public static void main(String[] args) { Director director = new Director(); Builder builder = new ConcreteBuilder(); director.Construct(builder); Computer computer = builder.getComputer(); computer.print(); } }4、 适配器设计模式 适配器模式是将某个类的接口转换成客户端期望的另一个接口表示，目的是消除由于接口不匹配所造成的的类的兼容性问题。 主要分三类：类的适配器模式、对象的适配器模式、接口的适配器模式。 4.1、 类的适配器模式： class Source { public void method1() { System.out.println("This is original method..."); } } interface Targetable { /** * 与原类中的方法相同 */ public void method1(); /** * 新类的方法 */ public void method2(); } class Adapter extends Source implements Targetable { @Override public void method2() { System.out.println("This is the targetable method..."); } } public class AdapterPattern { public static void main(String[] args) { Targetable targetable = new Adapter(); targetable.method1(); targetable.method2(); } }4.2、 对象的适配器模式 基本思路和类的适配器模式相同，只是将Adapter 类作修改，这次不继承Source 类，而是持有Source 类的实例，以达到解决兼容性的问题。 class Source { public void method1() { System.out.println("This is original method..."); } } interface Targetable { /** * 与原类中的方法相同 */ public void method1(); /** * 新类的方法 */ public void method2(); } class Wrapper implements Targetable { private Source source; public Wrapper(Source source) { super(); this.source = source; } @Override public void method1() { source.method1(); } @Override public void method2() { System.out.println("This is the targetable method..."); } } public class AdapterPattern { public static void main(String[] args) { Source source = new Source(); Targetable targetable = new Wrapper(source); targetable.method1(); targetable.method2(); } }4.3、 接口的适配器模式 接口的适配器是这样的：有时我们写的一个接口中有多个抽象方法，当我们写该接口的实现类时，必须实现该接口的所有方法，这明显有时比较浪费，因为并不是所有的方法都是我们需要的，有时只需要某一些，此处为了解决这个问题，我们引入了接口的适配器模式，借助于一个抽象类，该抽象类实现了该接口，实现了所有的方法，而我们不和原始的接口打交道，只和该抽象类取得联系，所以我们写一个类，继承该抽象类，重写我们需要的方法就行。 /** * 定义端口接口，提供通信服务 */ interface Port { /** * 远程SSH端口为22 */ void SSH(); /** * 网络端口为80 */ void NET(); /** * Tomcat容器端口为8080 */ void Tomcat(); /** * MySQL数据库端口为3306 */ void MySQL(); } /** * 定义抽象类实现端口接口，但是什么事情都不做 */ abstract class Wrapper implements Port { @Override public void SSH() { } @Override public void NET() { } @Override public void Tomcat() { } @Override public void MySQL() { } } /** * 提供聊天服务 * 需要网络功能 */ class Chat extends Wrapper { @Override public void NET() { System.out.println("Hello World..."); } } /** * 网站服务器 * 需要Tomcat容器，Mysql数据库，网络服务，远程服务 */ class Server extends Wrapper { @Override public void SSH() { System.out.println("Connect success..."); } @Override public void NET() { System.out.println("WWW..."); } @Override public void Tomcat() { System.out.println("Tomcat is running..."); } @Override public void MySQL() { System.out.println("MySQL is running..."); } } public class AdapterPattern { private static Port chatPort = new Chat(); private static Port serverPort = new Server(); public static void main(String[] args) { // 聊天服务 chatPort.NET(); // 服务器 serverPort.SSH(); serverPort.NET(); serverPort.Tomcat(); serverPort.MySQL(); } } 5、 装饰模式顾名思义，装饰模式就是给一个对象增加一些新的功能，而且是动态的，要求装饰对象和被装饰对象实现同一个接口，装饰对象持有被装饰对象的实例。 interface Shape { void draw(); } /** * 实现接口的实体类 */ class Rectangle implements Shape { @Override public void draw() { System.out.println("Shape: Rectangle..."); } } class Circle implements Shape { @Override public void draw() { System.out.println("Shape: Circle..."); } } /** * 创建实现了 Shape 接口的抽象装饰类。 */ abstract class ShapeDecorator implements Shape { protected Shape decoratedShape; public ShapeDecorator(Shape decoratedShape) { this.decoratedShape = decoratedShape; } @Override public void draw() { decoratedShape.draw(); } } /** * 创建扩展自 ShapeDecorator 类的实体装饰类。 */ class RedShapeDecorator extends ShapeDecorator { public RedShapeDecorator(Shape decoratedShape) { super(decoratedShape); } @Override public void draw() { decoratedShape.draw(); setRedBorder(decoratedShape); } private void setRedBorder(Shape decoratedShape) { System.out.println("Border Color: Red"); } } /** * 使用 RedShapeDecorator 来装饰 Shape 对象。 */ public class DecoratorPattern { public static void main(String[] args) { Shape circle = new Circle(); Shape redCircle = new RedShapeDecorator(new Circle()); Shape redRectangle = new RedShapeDecorator(new Rectangle()); System.out.println("Circle with normal border"); circle.draw(); System.out.println("\nCircle of red border"); redCircle.draw(); System.out.println("\nRectangle of red border"); redRectangle.draw(); } }6、 策略模式 策略模式定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使他们可以相互替换，且算法的变化不会影响到使用算法的客户。需要设计一个接口，为一系列实现类提供统一的方法，多个实现类实现该接口，设计一个抽象类（可有可无，属于辅助类），提供辅助函数。策略模式的决定权在用户，系统本身提供不同算法的实现，新增或者删除算法，对各种算法做封装。因此，策略模式多用在算法决策系统中，外部用户只需要决定用哪个算法即可。 /** * 抽象算法的策略类，定义所有支持的算法的公共接口 */ abstract class Strategy { /** * 算法方法 */ public abstract void AlgorithmInterface(); } /** * 具体算法A */ class ConcreteStrategyA extends Strategy { //算法A实现方法 @Override public void AlgorithmInterface() { System.out.println("算法A的实现"); } } /** * 具体算法B */ class ConcreteStrategyB extends Strategy { /** * 算法B实现方法 */ @Override public void AlgorithmInterface() { System.out.println("算法B的实现"); } } /** * 具体算法C */ class ConcreteStrategyC extends Strategy { @Override public void AlgorithmInterface() { System.out.println("算法C的实现"); } } /** * 上下文，维护一个对策略类对象的引用 */ class Context { Strategy strategy; public Context(Strategy strategy) { this.strategy = strategy; } public void contextInterface(){ strategy.AlgorithmInterface(); } } /** * 客户端代码：实现不同的策略 */ public class StrategyPattern { public static void main(String[] args) { Context context; context = new Context(new ConcreteStrategyA()); context.contextInterface(); context = new Context(new ConcreteStrategyB()); context.contextInterface(); context = new Context(new ConcreteStrategyC()); context.contextInterface(); } }7、 代理模式 代理模式指给一个对象提供一个代理对象，并由代理对象控制对原对象的引用。代理可以分为静态代理和动态代理。通过代理模式，可以利用代理对象为被代理对象添加额外的功能，以此来拓展被代理对象的功能。可以用于计算某个方法执行时间，在某个方法执行前后记录日志等操作。 7.1、 静态代理静态代理需要我们写出代理类和被代理类，而且一个代理类和一个被代理类一一对应。代理类和被代理类需要实现同一个接口，通过聚合使得代理对象中有被代理对象的引用，以此实现代理对象控制被代理对象的目的。 /** * 代理类和被代理类共同实现的接口 */ interface IService { void service(); } /** * 被代理类 */ class Service implements IService{ @Override public void service() { System.out.println("被代理对象执行相关操作"); } } /** * 代理类 */ class ProxyService implements IService{ /** * 持有被代理对象的引用 */ private IService service; /** * 默认代理Service类 */ public ProxyService() { this.service = new Service(); } /** * 也可以代理实现相同接口的其他类 * @param service */ public ProxyService(IService service) { this.service = service; } @Override public void service() { System.out.println("开始执行service()方法"); service.service(); System.out.println("service()方法执行完毕"); } } //测试类 public class ProxyPattern { public static void main(String[] args) { IService service = new Service(); //传入被代理类的对象 ProxyService proxyService = new ProxyService(service); proxyService.service(); } }7.2、 动态代理 JDK 1.3 之后，Java通过java.lang.reflect包中的三个类Proxy、InvocationHandler、Method来支持动态代理。动态代理常用于有若干个被代理的对象，且为每个被代理对象添加的功能是相同的（例如在每个方法运行前后记录日志）。动态代理的代理类不需要我们编写，由Java自动产生代理类源代码并进行编译最后生成代理对象。 创建动态代理对象的步骤： 1）指明一系列的接口来创建一个代理对象 2）创建一个调用处理器（InvocationHandler）对象 3）将这个代理指定为某个其他对象的代理对象 4） 在调用处理器的invoke（）方法中采取代理，一方面将调用传递给真实对象，另一方面执行各种需要的操作 import java.lang.reflect.InvocationHandler; import java.lang.reflect.Method; import java.lang.reflect.Proxy; /** * 代理类和被代理类共同实现的接口 */ interface IService { void service(); } class Service implements IService{ @Override public void service() { System.out.println("被代理对象执行相关操作"); } } class ServiceInvocationHandler implements InvocationHandler { /** * 被代理的对象 */ private Object srcObject; public ServiceInvocationHandler(Object srcObject) { this.srcObject = srcObject; } @Override public Object invoke(Object proxyObj, Method method, Object[] args) throws Throwable { System.out.println("开始执行"+method.getName()+"方法"); //执行原对象的相关操作，容易忘记 Object returnObj = method.invoke(srcObject,args); System.out.println(method.getName()+"方法执行完毕"); return returnObj; } } public class ProxyPattern { public static void main(String[] args) { IService service = new Service(); Class |
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