Java之美[從菜鳥到高手演變]之設計模式

          設計模式（Design Patterns）

                                  ——可複用物件導向軟體的基礎

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、代碼設計經驗的總結。使用設計模式是為了可重用代碼、讓代碼更容易被他人理解、保證代碼可靠性。 毫無疑問，設計模式於己於他人於系統都是多贏的，設計模式使代碼編製真正工程化，設計模式是軟體工程的基石，如同大廈的一塊塊磚石一樣。項目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]系列之設計模式，我們會以理論與實踐相結合的方式來進行本章的學習，希望廣大程式愛好者，學好設計模式，做一個優秀的軟體工程師！

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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：Factory 方法模式、抽象原廠模式、單例模式、建造者模式、原型模式。

結構型模式，共七種：適配器模式、裝飾器模式、代理模式、面板模式、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、解譯器模式。

其實還有兩類：併發型模式和線程池模式。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，不能去修改原有的代碼，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別，後面的具體設計中我們會提到這點。

2、裡氏代換原則（Liskov Substitution Principle）

裡氏代換原則(Liskov Substitution Principle LSP)物件導向設計的基本原則之一。 裡氏代換原則中說，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。裡氏代換原則是對“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，所以裡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：真對介面編程，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：一個實體應當盡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）

原則是盡量使用合成/彙總的方式，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，應用情境等情況，並結合他們的特點及設計模式的原則進行分析。

1、Factory 方法模式（Factory Method）

Factory 方法模式分為三種：

11、普通原廠模式，就是建立一個工廠類，對實現了同一介面的一些類進行執行個體的建立。首先看下關係圖：

舉例如下：（我們舉一個發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，建立實作類別：

public class MailSender implements Sender {@Overridepublic void Send() {System.out.println("this is mailsender!");}}

public class SmsSender implements Sender {@Overridepublic 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("請輸入正確的類型!");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!

22、多個Factory 方法模式，是對普通Factory 方法模式的改進，在普通Factory 方法模式中，如果傳遞的字串出錯，則不能正確建立對象，而多個Factory 方法模式是提供多個Factory 方法，分別建立對象。關係圖：

將上面的代碼做下修改，改動下SendFactory類就行，如下：

public class SendFactory {public Sender produceMail(){return new MailSender();}public Sender produceSms(){return new SmsSender();}}

測試類別如下：

public class FactoryTest {public static void main(String[] args) {SendFactory factory = new SendFactory();Sender sender = factory.produceMail();sender.Send();}}

輸出：this is mailsender!

33、靜態Factory 方法模式，將上面的多個Factory 方法模式裡的方法置為靜態，不需要建立執行個體，直接調用即可。

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，原廠模式適合：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Factory 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，不能正確建立對象，第三種相對於第二種，不需要執行個體化工廠類，所以，大多數情況下，我們會選用第三種——靜態Factory 方法模式。

2、抽象原廠模式（Abstract Factory）

Factory 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？就用到抽象原廠模式，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，不需要修改之前的代碼。因為抽象工廠不太好理解，我們先看看圖，然後就和代碼，就比較容易理解。

請看例子：

public interface Sender {public void Send();}

兩個實作類別：

public class MailSender implements Sender {@Overridepublic void Send() {System.out.println("this is mailsender!");}}

public class SmsSender implements Sender {@Overridepublic void Send() {System.out.println("this is sms sender!");}}

兩個工廠類：

public class SendMailFactory implements Provider {@Overridepublic Sender produce(){return new MailSender();}}

public class SendSmsFactory implements Provider{@Overridepublic Sender produce() {return new SmsSender();}}

在提供一個介面：

public interface Provider {public Sender produce();}

測試類別：

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，則只需做一個實作類別，實現Sender介面，同時做一個工廠類，實現Provider介面，就OK了，無需去改動現成的代碼。這樣做，拓展性較好！

3、單例模式（Singleton）

單例對象（Singleton）是一種常用的設計模式。在Java應用中，單例對象能保證在一個JVM中，該對象只有一個執行個體存在。這樣的模式有幾個好處：

1、某些類建立比較頻繁，對於一些大型的對象，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、有些類如證券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 {/* 持有私人靜態執行個體，防止被引用，此處賦值為null，目的是實現消極式載入 */private static Singleton instance = null;/* 私人構造方法，防止被執行個體化 */private Singleton() {}/* 靜態工程方法，建立執行個體 */public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}/* 如果該對象被用於序列化，可以保證對象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，像這樣毫無線程安全保護的類，如果我們把它放入多線程的環境下，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對象，這樣的用法，在效能上會有所下降，因為每次調用getInstance()，都要對對象上鎖，事實上，只有在第一次建立對象的時候需要加鎖，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，也就是說當調用的時候是不需要加鎖的，只有在instance為null，並建立對象的時候才需要加鎖，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指令中建立對象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執行個體分配空間，然後直接賦值給instance成員，然後再去初始化這個Singleton執行個體。這樣就可能出錯了，我們以A、B兩個線程為例：

a>A、B線程同時進入了第一個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內部的最佳化機制，JVM先畫出了一些分配給Singleton執行個體的空白記憶體，並賦值給instance成員（注意此時JVM沒有開始初始化這個執行個體），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塊並將結果返回給調用該方法的程式。

e>此時B線程打算使用Singleton執行個體，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，其實程式在運行過程是很複雜的，從這點我們就可以看出，尤其是在寫多線程環境下的程式更有難度，有挑戰性。我們對該程式做進一步最佳化：

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線程互斥的。這樣當我們第一次調用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調用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 {/* 私人構造方法，防止被執行個體化 */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();}/* 擷取執行個體 */public static Singleton getInstance() {return SingletonFactory.instance;}/* 如果該對象被用於序列化，可以保證對象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，如果在建構函式中拋出異常，執行個體將永遠得不到建立，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情境的實現方法。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執行個體，所以效能也不會有什麼影響。

補充：採用"影子執行個體"的辦法為單例對象的屬性同步更新

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關鍵字鎖定的是對象，在用的時候，一定要在恰當的地方使用（注意需要使用鎖的對象和過程，可能有的時候並不是整個對象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）

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。之所以消極式載入，是因為有些類比較龐大，所以消極式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採用數組+鏈表來實現一樣，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）

工廠類模式提供的是建立單個類的模式，而建造者模式則是將各種產品集中起來進行管理，用來建立綜合物件，所謂綜合物件就是指某個類具有不同的屬性，其實建造者模式就是前面抽象原廠模式和最後的Test結合起來得到的。我們看一下代碼：

還和前面一樣，一個Sender介面，兩個實作類別MailSender和SmsSender。最後，建造者類如下：

public class Builder {private List<Sender> list = new ArrayList<Sender>();public void produceMailSender(int count){for(int i=0; i<count; i++){list.add(new MailSender());}}public void produceSmsSender(int count){for(int i=0; i<count; i++){list.add(new SmsSender());}}}

測試類別：

public class Test {public static void main(String[] args) {Builder builder = new Builder();builder.produceMailSender(10);}}

從這點看出，建造者模式將很多功能整合到一個類裡，這個類可以創造出比較複雜的東西。所以與工程模式的區別就是：原廠模式關注的是建立單個產品，而建造者模式則關注建立符合對象，多個部分。因此，是選擇原廠模式還是建造者模式，依實際情況而定。

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對象作為原型，對其進行複製、複製，產生一個和原對象類似的新對象。本小結會通過對象的複製，進行講解。在Java中，複製對象是通過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，你可以任意定義實作類別的方法名，如cloneA或者cloneB，因為此處的重點是super.clone()這句話，super.clone()調用的是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中本地方法的調用，此處不再深究。在這兒，我將結合對象的淺複製和深複製來說一下，首先需要瞭解對象深、淺複製的概念：

淺複製：將一個對象複製後，基礎資料型別 (Elementary Data Type)的變數都會重新建立，而參考型別，指向的還是原對象所指向的。

深複製：將一個對象複製後，不論是基礎資料型別 (Elementary Data Type)還有參考型別，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 {/* 寫入當前對象的二進位流 */ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);oos.writeObject(this);/* 讀出二進位流產生的新對象 */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對象的二進位輸入，再寫出位元據對應的對象。

由於文章篇幅較長，為了更好的方便讀者閱讀，我將接下了的其它介紹放在另一篇文章中（也許會分兩篇來），感謝大家提出寶貴的意見和建議！

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