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java 23种设计模式详解

mycode 设计模式 2021-12-3 15:50 269人围观

腾讯云服务器

23种设计模式

参考:

如有错误之处,敬请指教。

工厂方法模式(Factory Method)

工厂方法模式的意图是 定义一个创建产品对象的工厂接口,将产品对象的创建延迟到具体子工厂类中,这满足创建型模式中对象的创建和使用分离 的原则。 工厂方法模式由 抽象工厂,具体工厂,抽象产品,具体产品等要素组成, 我们把需要创建的对象叫作产品,创建产品的对象叫作工厂。

  • 抽象工厂: 抽象工厂声明了创建产品的接口,用户/客户端 通过抽象工厂来创建和访问产品。

  • 具体工厂: 具体工厂是抽象工厂的实现,包含了创建产品的过程。

  • 抽象产品: 抽象产品定义了产品的规范,描述了产品的主要特性和功能。

  • 具体产品: 具体产品实现了抽象产品,它与具体工厂一一对应。

工厂方法模式的优点有:

  • 隐藏具体实现细节: 用户只需要具体工厂就可以创建对应的产品,无需关心具体工厂是如何创建产品的。
  • 符合开闭原则: 在系统需要添加新的产品时,只需要添加其对应的具体工厂,无需修改原有的工厂和产品。

工厂方法模式:

工厂方法模式实例: FactoryMethodTest

抽象工厂模式(Abstract Factory)

工厂方法模式考虑的是同一类产品的生产,如汽车工厂只生产汽车,空调工厂只生产空调。 而在现实中许多工厂是综合性的工厂,一家工厂可能既生产空调,又生产冰箱,这也是抽象工厂与工厂方法的区别, 抽象工厂考虑多类产品的生产,同一个工厂生产的位于不同等级的一组产品称为这个工厂的产品族。

抽象工厂模式的意图是 定义一个创建一组相关或相互依赖的工厂接口,使得用户可以使用这一个工厂就可以获取到不同的产品。 抽象工厂是工厂方法的升级版本,工厂方法只生产一个等级的产品,抽象工厂可以生产多个等级的产品。

抽象工厂和工厂方法一样,也由 抽象工厂,具体工厂,抽象产品,具体产品等要素组成,但抽象工厂可以创建 多个等级的产品。

抽象工厂模式:

抽象工厂实例:AbstractFactoryTest

单例模式(Singleton)

单例模式确保一个类只有一个实例,且该类提供访问这个唯一实例的方式。 单例模式有三个特点:

  1. 单例类只有一个实例。
  2. 该单例类的唯一实例必需由其自身创建。
  3. 该单例类必须提供访问其唯一实例的方式。

单例模式:

单例模式实例: Singleton

单例模式主要有两种写法:懒汉式和饿汉式。 网上有的文章说 "饿汉式的单实例在类加载阶段就实例化了,而懒汉式在第一次获取实例的时候才初始化。" 这里我从Java/Jvm(其他语言暂且不论)的角度来反驳下这种观点,如果各位同学同意这种观点,且是从我写的类的生命周期 部分一直看过来的,那么请再好好思考下 "类加载" 三个字 , 如果你对JVM有兴趣,也可分析下我的观点是对是错。

在JVM中,类的生命周期有5个阶段 : 加载 , 连接 , 初始化,使用和卸载。这几个阶段我已在类的生命周期 里详细讲解过了,这里再回顾下 加载,连接,初始化几个阶段,至于使用和卸载与本观点论述的内容不大,所以不做描述。

  • 加载: JVM类加载器将class字节码读取到内存,将其保存在方法区,并在堆区生成该类的唯一Class对象。

  • 连接: 连接分为三个阶段:验证,准备,解析。

    • 验证: 在验证阶段,JVM会对class字节流进行验证,验证其是否符合JVM规范且是否会对JVM造成恶意损害。

    • 准备: 准备阶段会为类的静态变量初始化零值,基本数据类型如int会赋予0,引用类型会赋予null。

    • 解析: 解析阶段会将常量池中的符号引用解析为直接引用。

  • 初始化: 初始化阶段是类加载阶段的最后一个阶段,在初始化类后,就可以使用类做我们需要做的事情了,如创建对象实例。

我们明白: 饿汉式的单例是属于类的静态变量的,只有当类初始化时,才会初始化其静态变量, 仅凭这点就可以推翻网上谣传的观点了,但还没有完。

类在何种情况下会被初始化呢?

解决了这个问题,就可以彻底明白饿汉式实例化的时间了,你也就不会跟着大众喊出 "饿汉式单例浪费内存空间。" 这种 毫无根据的话语了。

只有当我们主动使用类时,这个类才会被初始化,也才会初始化单例了。 根据我查阅的资料,我总结了类主要涉及8种情况会被主动使用:

  1. 当jvm执行new指令时会初始化类,即当程序创建一个类的实例对象。
  2. 当jvm执行getstatic指令时会初始化类,即程序访问类的静态变量(不是静态常量,常量归属于运行时常量池)。
  3. 当jvm执行putstatic指令时会初始化类,即程序给类的静态变量赋值。
  4. 当jvm执行invokestatic指令时会初始化类,即程序调用类的静态方法。
  5. 当使用反射主动访问这个类时,也会初始化类,如Class.forname("..."),newInstance()等等。
  6. 当初始化一个子类的时候,会先初始化这个子类的所有父类,然后才会初始化这个子类。
  7. 当一个类是启动类时,即这个类拥有main方法,那么jvm会首先初始化这个类。
  8. MethodHandle和VarHandle可以看作是轻量级的反射调用机制,而要想使用这2个调用, 就必须先使用findStatic/findStaticVarHandle来初始化要调用的类。

综上所述,只考虑正常使用时,初始化类的情况有: 创建类的实例对象;调用类的静态方法;给类的静态变量赋值;访问类的静态变量。 而当我们访问饿汉式单例的时候,几乎都是通过静态方法获取单例(不排除有人会用反射去获取单例),所以大部分情况都是当我们获取单例的时候才会初始化单例, 所以 "饿汉式的单实例在类加载阶段就实例化了","饿汉式单例浪费内存空间" 此类观点就不攻自破了。

建造者模式(Builder)

创建者模式的定义是将一个复杂对象的构造与它的表示分离,使用同样的构建过程可以创建不同的表述。简单理解就是 创建者模式将一个复杂对象,分解为多个简单的对象,然后通过这些简单对象再构造成最终的目标对象。 比如一台计算机由很多部件组成,如cpu,gpu,主板等等,我们不可能从一家厂商那里购买到所有的部件(不考虑整机), 所以我们需要根据我们自己事先计划好的计算机的配置,然后从各个不同的厂商那里购所需的部件,然后组装成我们理想的计算机。 建造者模式使得一个复杂对象被分解为多个简单对象,且可以对每个简单对象进行定制,客户端也无需关系创建对象的细节。

建造者模式由 指挥者,抽象建造者,具体建造者以及产品等要素组成:

  • 产品: 产品是由多个部件组成的对象,它需要由具体建造者建造其各个组件。

  • 抽象建造者: 抽象建造者声明了 创建产品各个组件以及获取最终复杂产品的接口。

  • 具体建造者: 具体建造者实现了抽象建造者定义的接口,定义了创建复杂产品各个组件的逻辑。

  • 指挥者: 指挥者负责调用建造者完成对复杂产品的创建。

建造者模式:

建造者实例: BuilderTest

原型模式(Prototype)

原型模式的定义是用一个已经创建的对象实例作为原型,通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。 在有的应用程序中,存在着一些相同或相似的对象,如果这些相同或相似的对象都使用构造函数来创建,可能会比较消耗资源, 而用原型模式就可以快速创建与原对象相同的对象。

原型模式由 抽象原型类以及具体原型类等要素组成:

  • 抽象原型类: 定义了具体原型类必须实现的接口(在java中,抽象原型类就是Cloneable接口)。

  • 具体原型类: 具体原型是抽象原型的实现,具体原型的实例是可以被复制的。

原型模式:

原型模式实例:PrototypeTest

在java中,原型模式还涉及深拷贝与浅拷贝的问题,我推荐一篇写的非常好的文章建议各位同学学习: CSDN - Java中的clone方法 - 原型模式

代理模式(Proxy)

代理模式的意图是 为目标对象提供一种代理,用以控制客户端对于目标对象的访问。 举个栗子: 我(客户端)需要访问某个网站的服务器,但是目标网站的服务器的IP又不可能直接暴露在公网之上, 所以目标服务器通过提供代理服务器来解决这种问题。我们访问目标网站时,实际请求的是代理服务器,然后再由代理服务器 将请求转发到真正的处理任务的服务器(反向代理),在这个过程中,代理服务器充当了保护或中介的角色,将真正的服务器隐藏了起来。

代理模式由 抽象主题,真实主题以及代理主题等要素组成:

  • 抽象主题: 抽象主题声明了真实主题需要实现的接口。

  • 真实主题: 真实主题就是目标对象,它需要实现抽象主题。

  • 代理主题: 代理主题与真实主题一样,都需要实现抽象主题,但代理主题内部包含了真实主题,当访问代理主题的时候, 它会使用真实主题去处理,同时可以控制与扩展真实主题的功能。

代理模式:

代理模式实例: ProxyTest

适配器模式(Adapter)

适配器模式的意图是 将一个接口转换成客户希望或需要的另一个接口,使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类能一起工作。 比如一个播放器只能播放 .mp4 格式的视频,如果是 .flv 格式的视频这个播放器就不能播放了,此时我们就可以 创建一个视频适配器,将 .flv 格式的视频适配成播放器所需的格式的视频。

适配器模式实例: AdapterTest

装饰器模式(Decorator)

装饰器模式的意图是 在不改变原有系统结构的情况下,能够动态的给系统添加一些新的职责和功能。 比如我买了一辆车,我想给这辆车添加一个尾翼,添加尾翼后,并没有对原来的车身的其他地方做出修改。

装饰器模式主要由 抽象构件 , 具体构件 , 抽象装饰和具体装饰等要素组成:

  • 抽象构件: 抽象构件定义了具体构件的职责。

  • 具体构件: 具体构件实现了抽象构件,需要通过装饰器来为其拓展功能。

  • 抽象装饰: 抽象装饰也实现了抽象构件,并包含了具体构件,可以通过具体装饰对其拓展功能。

  • 具体装饰: 具体装饰继承了抽象装饰,并对具体构件做出扩展。

装饰器模式:

装饰器模式实例: DecoratorTest

桥接模式(Bridge)

桥接模式的意图是将抽象部分与实现部分分离,使得他们都可以独立的变化。桥接模式主要解决了在有多种变化的情况下, 泛滥使用继承的问题。某些对象具有多个方面的变化,如 有不同颜色和大小的字,有不同功率和品牌的小轿车等等。

桥接模式主要由: 抽象化角色,扩展抽象化角色,实现化角色和具体实现化角色组成:

  • 抽象化角色: 抽象化角色即抽象类,它包含一个对实现化对象的引用 ,比如 字拥有对颜色的引用。

  • 扩展抽象化角色: 扩展抽象化角色是对抽象化角色的扩展,比如 小字,大字,中等大小的字。

  • 实现化角色: 实现化角色是定义了实现化的接口,供抽象化角色使用,如 颜色。

  • 具体实现化角色: 具体实现化角色是实现化角色的实现,如 黑色,红色。

桥接模式:

桥接模式实例: BridgeTest

组合模式(Composite)

组合模式又称为 部分-整体模式,它是一种将对象组合成树状的层次结构的模式,用来表示“部分-整体”的关系。 比如一棵树上有许多树枝,每枝树枝上又有许多树叶,这就属于层次结构,我个人倾向于把它理解为 “一对多的关系”, 如何把这种关系合理的表现出来呢?就可以使用到我们的组合模式了。

组合模式主要由: 抽象构件,树叶构件和树枝构件等要素组成:

  • 抽象构件: 抽象构件声明了树叶构件和树枝构件的公共接口。

  • 树枝构件: 树枝构件实现了抽象构件声明的接口,它的作用是管理和存储子部件。

  • 树叶构件: 树叶构件也实现了抽象构件声明的接口,它是组合中的叶子构件,没有子部件。

组合模式实例: CompositeTest

外观模式(Facade)

外观模式又被称为门面模式,外观模式的意图是通过为多个复杂的子系统提供一个一致的接口,使得这些子系统能够更容易的 被访问,客户端也不必关注内部子系统的实现细节,大大降低了应用程序的复杂度。 假设我们的某个系统有一个生成唯一ID 的接口,而生成唯一ID的方案有很多种,如雪花ID,UUID,自增ID等等,客户端只需要调用那一个生成ID的接口获取ID就行了, 无需关注这个接口到底使用的是哪种生成ID的方案。

外观模式实例:FacadeTest

享元模式(Flyweight)

享元模式的意图是 运用共享技术来支持大量细粒度对象的复用,以此达到节约内存,提高系统性能的目的。 在我们的应用中,有时需要创建一些相同或具有共同部分的对象,比如拥有相同姓名的用户,具有相同分辨率的屏幕等等。

享元模式由 抽象享元角色,具体享元角色,非享元角色和享元工厂等要素组成:

  • 抽象享元角色: 抽象享元角色是所有具体享元角色的基类,为具体享元角色定义公共属性和接口 ,如Person。

  • 具体享元角色: 具体享元角色实现了抽象享元角色定义的规范,如Programmer,Writer,

  • 非享元角色: 非享元角色是不可共享的外部状态,如Person的age,height都可能不同,就不能共享,这些可以归纳为 Person的基本信息BasicInfo

  • 享元工厂: 享元工厂负责创建和管理享元角色。

享元模式:

享元模式实例:FlyweightTest

观察者模式(Observer)

观察者模式的意图是 当多个事物之间存在一种一对多关系时,如果一个事物的状态发生改变,使得依赖这个事物的其他事物也能得到 通知,并做出相应改变,观察者模式有时被称为 发布-订阅者模式 或 模型-视图模式。在我们的生活当中,一个事物影响其他事物的 例子数不胜数:我们过马路时,当交通指示灯改变颜色,我们收到这一信息,便会做出反馈,我们知道该停下还是可以过马路; 如果我们在手机上订阅了某个节目的专栏,当专栏有新的信息时,便会推送给我们;当我们按下灯的开关时,灯会被点亮或熄灭。

观察者模式由 抽象主题角色,具体主题角色,抽象观察者角色和具体观察者角色等要素组成:

  • 抽象目标角色: 抽象目标角色是具体目标角色的规范,它提供了用于管理观察者角色的方法,以及定义了通知观察者的 抽象方法。

  • 具体目标角色(发布者): 具体目标角色是观察者观察的具体目标,它实现了抽象目标角色定义的规范,当具体目标发生变化时, 便会通知所有的观察者。

  • 抽象观察角色: 抽象观察角色是具体观察角色的规范,声明了当目标角色发生变化时,更新自身的方法。

  • 具体观察角色(订阅者): 具体观察角色实现了抽象观察角色定义的规范,它决定了当具体目标角色发生变化时,自身需要完成的逻辑。

观察者模式:

观察者模式实例:ObserverTest

模板方法模式(Template Method)

模板方法模式的意图是 定义一个操作中的算法骨架,将算法的一些步骤延迟到子类中,使得子类可以在不改变整体算法框架的 前提下,重新实现该算法的某些逻辑。 比如我们的程序中有一个保存用户信息的服务,保存用户的信息假设分为两个步骤:1.校验用户信息(check)。 2.使用jdbc将用户信息存入数据库(save)。 其中将用户信息存入数据库这一步骤几乎不会发生改变,但校验用户的信息这一步就可能有不同的方案, 所以校验用户信息这一步骤可以延迟到这个服务的子类中去,由不同的子类实现不同的逻辑。

模板方法模式由 抽象模板和具体子类等要素组成:

  • 抽象模板: 抽象模板定义了整个服务或者算法的整体框架,它由一个模板方法和若干基本方法组成。

    • 模板方法: 模板方法是抽象模板的核心,它定义了基本方法被调用的顺序。如保存用户信息的服务,是先check,还是先 save,保存用户信息的模板方法就负责整合这两个方法。

    • 基本方法: 基本方法是整个服务或算法中的一个步骤,check和save都是基本方法,基本方法还可分为:

      • 抽象方法: 抽象方法在抽象模板中声明,由具体模板实现。

      • 具体方法: 具体方法在抽象模板中声明并实现,可以在具体模板中被重写。

      • 钩子方法: 钩子方法在抽象模板中声明并实现,它的方法体通常是空的,可以在具体模板中实现, 所以钩子方法起到的是一个扩展的作用。

  • 具体模板: 具体模板实现或重写了抽象模板中声明的抽象方法和钩子方法,具体的逻辑视这个具体模板的职责而定。

模板方法模式:

模板方法实例:TemplateMethodTest

策略模式(Strategy)

策略模式的意图是 定义一系列的算法,并将每个算法封装起来,使得它们可以相互替换,且算法的变化并不会影响到使用 该算法的客户端。 假设我要到一个地方去,有公交和地铁两种出行方式,无论选择何种方式出行,都可以使得我到目的地。 再假设我要将一个无序的序列排序成一个有序的序列,需要采用排序算法来解决问题,我可以在不同的环境下采用不同排序算法, 但无论何种排序算法其执行的结果最终肯定都是一致的。

策略模式由 抽象策略,具体策略和环境角色等要素组成:

  • 抽象策略: 抽象策略声明了算法接口,各种不同的算法以不同的方式实现此接口。

  • 具体策略: 具体策略实现了抽象策略,并提供了具体的算法逻辑。

  • 环境角色: 环境角色持有一个策略的引用,最终客户端会使用环境角色来调用具体策略的算法。

策略模式:

策略模式实例:StrategyTest

责任链模式(Chain of Responsibility)

责任链模式又被成为职责链模式,它的意图是 为了避免一个请求发送者与多个请求处理者耦合在一起, 而将所有请求处理者连接成一条处理引用链,当有请求发送时,请求就会被这条请求处理引用链上的请求处理者处理。

责任链模式由 抽象处理者和具体处理者等要素组成:

  • 抽象处理者: 抽象处理者声明了处理请求的接口, 且包含了当前处理者的下一个处理者。

  • 具体处理者: 具体处理者实现了抽象处理者,当具体处理者处理完请求后,如果它还有后继处理者,那么就将请求 交予其后继处理者处理。

责任链模式:

责任链请求处理流程:

责任链模式实例: ResponsibilityChainTest

中介者模式(Mediator)

中介者模式遵循迪米特法则,它的意图是 使用一个中介者对象来封装一系列对象之间的交互,使原有对象之间不需要显示的调用彼此, 从而使其耦合松散。 中介者这个角色很好理解,比如在我们使用聊天应用程序进行通信的时候, 我们发送的消息是发送给了服务器,服务器收到消息后,再将消息发送给对方。

中介者模式由 抽象中介者,具体中介者,抽象同事角色和具体同事角色等要素组成:

  • 抽象中介者: 抽象中介者声明了同事对象注册与转发同事对象信息的接口。

  • 具体中介者: 具体中介者实现了抽象中介者,协调各个同事之间的交互关系。

  • 抽象同事角色: 抽象同事角色声明了同事之间的交互接口。

  • 具体同事角色: 具体同事角色实现了抽象同事角色声明的接口,当前同事角色与其他同事交互时,需要由中介者 负责协调。

中介者模式:

中介者模式实例: MediatorTest

访问者模式(Visitor)

访问者模式的意图是 将作用于某种数据结构中的各元素的操作分离出来封装成独立的类,使其在不改变数据结构的 前提下可以添加作用于这些元素的新操作,访问者模式将数据结构与操作分离,是行为模式中较为复杂的一种模式。 举个栗子: 公园(数据结构)中有多个景点(元素),每个游客都可以访问这些景点,且对这些景点有各种不同的评价。

访问者模式由 抽象访问者,具体访问者,抽象元素,具体元素和对象结构等要素组成:

  • 抽象访问者: 抽象访问者为每个具体元素都声明了访问具体它的接口。

  • 具体访问者: 具体访问者实现了抽象访问者定义的接口,确定了访问一个元素时需要做的操作。

  • 抽象元素: 抽象元素声明了被访问者访问的接口。

  • 具体元素: 具体元素实现了抽象元素。

  • 对象结构: 对象结构是包含了元素的容器,提供了让访问者访问容器中所有元素的方法,可以看作是 公园。

访问者模式:

访问者模式实例: VisitorTest

命令模式(Command)

命令模式的意图是 将请求封装为一个对象,使发出请求的责任和执行请求的责任分离开来,请求的发送者和接受者通过命令进行 沟通。 比如当我们使用电视遥控器(命令发送者)按下某个按钮(具体命令)时,电视机(命令接受者)就会做出相应的反馈。

命令模式由抽象命令,具体命令,命令发送者和命令接受者等要素组成:

  • 抽象命令: 抽象命令声明了执行命令的接口。

  • 具体命令: 具体命令是抽象命令的实现,它通过调用命令接受者的功能完成命令要执行的操作。

  • 命令接受者: 命令接受者不与命令发送者直接交互,而是被命令所调用执行。

  • 命令发送者: 命令发送者也不直接与命令的执行者交互,而是通过调用命令来执行相关请求。

命令模式:

命令模式实例: CommandTest

解释器模式(Interpreter)

解释器模式定义了 评估某种语言的文法,并建立一个解释器解释该语言的句子。如我们常见的SQL的解析,某种语言 的代码在执行之前也需要被解析。

解释器模式实例: InterpreterTest

迭代器模式(Iterator)

迭代器模式的意图是 提供一个对象来顺序访问聚合对象中的一系列数据,而不暴露聚合对象的内部表示。

迭代器模式实例: IteratorTest

备忘录模式(Memento)

备忘录模式的意图是 在不破坏封装性的前提下,捕获一个对象的内部状态,并在该对象之外保存这个状态,以便以后在需要的时候 能够恢复到之前保存的状态。假设我们在更改一篇文章后,发现更改后的文章还没有更改之前好,于是就想将文章恢复到更改之前的状态, 此时就可以借助备忘录完成此需求。

备忘录模式由 备忘录,发起人和管理者等要素组成:

  • 发起人: 发起人记录当前时刻的内部状态,提供创建备忘录和恢复备忘录数据的功能。

  • 备忘录: 备忘录负责存储发起人的内部状态,并在需要的时候将内部状态传递给发起人。

  • 管理者: 管理者负责管理备忘录,提供获取与保存备忘录的功能。

备忘录模式:

备忘录模式实例:MementoTest

状态模式(State)

状态模式的意图是 使得 一个对象的状态发生改变时,这个对象的行为也随状态的变化而变化,这种对象被称为状态对象。 举个栗子: 我们的服务器一般有start,active,destroy等状态,当服务器的状态发生改变时,其内部也需要做出相应的变化。

状态模式由 环境角色,抽象状态和具体状态等要素组成:

  • 环境角色: 环境角色也被成为上下文,它维护一个当前状态,当状态发生改变时,其行为也将改变。

  • 抽象状态: 抽象状态封装了环境角色在特定状态下的行为。

  • 具体状态: 具体状态实现了抽象状态的行为。

状态模式:

状态模式实例:StateTest

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