java23种设计模式.docx
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java23种设计模式.docx
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java23种设计模式
设计模式(DesignPatterns)
——可复用面向对象软件的基础
设计模式(Designpattern)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。
一、设计模式的分类
总体来说设计模式分为三大类:
创建型模式,共五种:
工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。
结构型模式,共七种:
适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。
行为型模式,共十一种:
策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。
其实还有两类:
并发型模式和线程池模式。
用一个图片来整体描述一下:
二、设计模式的六大原则
1、开闭原则(OpenClosePrinciple)
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(LiskovSubstitutionPrinciple)
里氏代换原则(LiskovSubstitutionPrincipleLSP)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。
——FromBaidu百科
3、依赖倒转原则(DependenceInversionPrinciple)
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(InterfaceSegregationPrinciple)
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)(DemeterPrinciple)
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(CompositeReusePrinciple)
原则是尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承。
1.策略模式(Strategy):
定义了算法家族,分别封装起来,让它们之间可以互相替换.
比如Collections.sort(Listlist,Comparatorc);可以通过实现多个Comparator接口来达到多种排序的目的.
2.装饰着模式(Decorator):
动态的给一个对象添加一些额外的职责.
比如java.io包.BufferedInputStream封装了FileInputStream,它们都实现了InputStream接口,但前者实现了readLine方法.
3.代理模式(Proxy):
为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问.
比如在用户登录时,真正的登录类和代理登录类都实现了Login接口,不同的是Proxy类的方法中增加了用户是否合法的判断,只有合法时才去调用真正登录类的login方法.用户访问的其实是Proxy的login方法.
4.工厂模式(Factory):
定义一个用以创建对象的接口,让子类决定实例化哪个类.
当遇到需要根据某个前提条件创建不同的类实现时,会实用工厂模式.
5.模板模式(Template):
定义一个操作中的算法骨架,而将一些步骤延迟到子类中.
比如HibernateTemplate,在Template中已经定义了Connection开关的实现,用户只需要在子类中根据不同的业务写不同的sql.
6.外观模式(Facade):
为子系统中的一组接口提供一个一致的界面.
一直在用,比如DBUtil,将所有数据库对象封装了,只留了DBUtil.getDBUtil()这个接口.
7.建造者模式(Builder):
将一个复杂对象的构建与它的表示分离.
8.观察者模式(Observer):
定义了一种一对多的依赖关系,让多个观察者对象同时监听某一主题对象,在它的状态发生变化时,会通知所有的观察者.
比如ServletContextListener,在applcation启动时,会通知所有这个接口的实现类.
9.抽象工厂模式(AbstractFactory):
提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口,而无需指定它们具体的类.
10.适配器模式(Adapter):
将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口.
11.单例模式(Singleton):
保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局控制点.
比如在加载配置文件时,可使用该模式.
12.命令模式(Command):
将一个请求封装成为一个对象,使可以用不同的请求对客户进行参数化.
比如Struts的MVC结构,其实就是个Command模式.
三、Java的23中设计模式
从这一块开始,我们详细介绍Java中23种设计模式的概念,应用场景等情况,并结合他们的特点及设计模式的原则进行分析。
1、工厂方法模式(FactoryMethod)
工厂方法模式分为三种:
11、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。
首先看下关系图:
举例如下:
(我们举一个发送邮件和短信的例子)
首先,创建二者的共同接口:
1.publicinterfaceSender{
2.publicvoidSend();
3.}
其次,创建实现类:
1.publicclassMailSenderimplementsSender{
2.@Override
3.publicvoidSend(){
4.System.out.println("thisismailsender!
");
5.}
6.}
1.publicclassSmsSenderimplementsSender{
2.@Override
3.publicvoidSend(){
4.System.out.println("thisissmssender!
");
5.}
6.}
最后,建工厂类:
1.publicclassSendFactory{
2.publicSenderproduce(Stringtype){
3.if("mail".equals(type)){
4.returnnewMailSender();
5.}elseif("sms".equals(type)){
6.returnnewSmsSender();
7.}else{
8.System.out.println("请输入正确的类型!
");
9.returnnull;
10.}
11.}
12.}
我们来测试下:
1.publicclassFactoryTest{
2.publicstaticvoidmain(String[]args){
3.SendFactoryfactory=newSendFactory();
4.Sendersender=factory.produce("sms");
5.sender.Send();
6.}
7.}
输出:
thisissmssender!
22、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。
关系图:
将上面的代码做下修改,改动下SendFactory类就行,如下:
publicclassSendFactory{
publicSenderproduceMail(){
1.returnnewMailSender();
2.}
3.publicSenderproduceSms(){
4.returnnewSmsSender();
5.}
6.}
测试类如下:
1.publicclassFactoryTest{
2.publicstaticvoidmain(String[]args){
3.SendFactoryfactory=newSendFactory();
4.Sendersender=factory.produceMail();
5.sender.Send();
6.}
7.}
输出:
thisismailsender!
33、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。
1.publicclassSendFactory{
2.publicstaticSenderproduceMail(){
3.returnnewMailSender();
4.}
5.publicstaticSenderproduceSms(){
6.returnnewSmsSender();
7.}
8.}
1.publicclassFactoryTest{
2.publicstaticvoidmain(String[]args){
3.Sendersender=SendFactory.produceMail();
4.sender.Send();
5.}
6.}
输出:
thisismailsender!
总体来说,工厂模式适合:
凡是出现了大量的产品需要创建,并且具有共同的接口时,可以通过工厂方法模式进行创建。
在以上的三种模式中,第一种如果传入的字符串有误,不能正确创建对象,第三种相对于第二种,不需要实例化工厂类,所以,大多数情况下,我们会选用第三种——静态工厂方法模式。
2、抽象工厂模式(AbstractFactory)
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,如果想要拓展程序,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?
就用到抽象工厂模式,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。
因为抽象工厂不太好理解,我们先看看图,然后就和代码,就比较容易理解。
请看例子:
1.publicinterfaceSender{
2.publicvoidSend();
3.}
两个实现类:
1.publicclassMailSenderimplementsSender{
2.@Override
3.publicvoidSend(){
4.System.out.println("thisismailsender!
");
5.}
6.}
1.publicclassSmsSenderimplementsSender{
2.@Override
3.publicvoidSend(){
4.System.out.println("thisissmssender!
");
5.}
6.}
两个工厂类:
1.publicclassSendMailFactoryimplementsProvider{
2.@Override
3.publicSenderproduce(){
4.returnnewMailSender();
5.}
6.}
1.publicclassSendSmsFactoryimplementsProvider{
2.@Override
3.publicSenderproduce(){
4.returnnewSmsSender();
5.}
6.}
在提供一个接口:
1.publicinterfaceProvider{
2.publicSenderproduce();
3.}
测试类:
1.publicclassTest{
2.publicstaticvoidmain(String[]args){
3.Providerprovider=newSendMailFactory();
4.Sendersender=provider.produce();
5.sender.Send();
6.}
7.}
其实这个模式的好处就是,如果你现在想增加一个功能:
发及时信息,则只需做一个实现类,实现Sender接口,同时做一个工厂类,实现Provider接口,就OK了,无需去改动现成的代码。
这样做,拓展性较好!
3、单例模式(Singleton)
单例对象(Singleton)是一种常用的设计模式。
在Java应用中,单例对象能保证在一个JVM中,该对象只有一个实例存在。
这样的模式有几个好处:
1、某些类创建比较频繁,对于一些大型的对象,这是一笔很大的系统开销。
2、省去了new操作符,降低了系统内存的使用频率,减轻GC压力。
3、有些类如交易所的核心交易引擎,控制着交易流程,如果该类可以创建多个的话,系统完全乱了。
(比如一个军队出现了多个司令员同时指挥,肯定会乱成一团),所以只有使用单例模式,才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。
首先我们写一个简单的单例类:
1.publicclassSingleton{
2./*持有私有静态实例,防止被引用,此处赋值为null,目的是实现延迟加载*/
3.privatestaticSingletoninstance=null;
4./*私有构造方法,防止被实例化*/
5.privateSingleton(){
6.}
7./*静态工程方法,创建实例*/
8.publicstaticSingletongetInstance(){
9.if(instance==null){
10.instance=newSingleton();
11.}
12.returninstance;
13.}
14./*如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致*/
15.publicObjectreadResolve(){
16.returninstance;
17.}
18.}
这个类可以满足基本要求,但是,像这样毫无线程安全保护的类,如果我们把它放入多线程的环境下,肯定就会出现问题了,如何解决?
我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字,如下:
1.publicstaticsynchronizedSingletongetInstance(){
2.if(instance==null){
3.instance=newSingleton();
4.}
5.returninstance;
6.}
但是,synchronized关键字锁住的是这个对象,这样的用法,在性能上会有所下降,因为每次调用getInstance(),都要对对象上锁,事实上,只有在第一次创建对象的时候需要加锁,之后就不需要了,所以,这个地方需要改进。
我们改成下面这个:
1.publicstaticSingletongetInstance(){
2.if(instance==null){
3.synchronized(instance){
4.if(instance==null){
5.instance=newSingleton();
6.}
7.}
8.}
9.returninstance;
10.}
似乎解决了之前提到的问题,将synchronized关键字加在了内部,也就是说当调用的时候是不需要加锁的,只有在instance为null,并创建对象的时候才需要加锁,性能有一定的提升。
但是,这样的情况,还是有可能有问题的,看下面的情况:
在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的,也就是说instance=newSingleton();语句是分两步执行的。
但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序,也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间,然后直接赋值给instance成员,然后再去初始化这个Singleton实例。
这样就可能出错了,我们以A、B两个线程为例:
a>A、B线程同时进入了第一个if判断
b>A首先进入synchronized块,由于instance为null,所以它执行instance=newSingleton();
c>由于JVM内部的优化机制,JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存,并赋值给instance成员(注意此时JVM没有开始初始化这个实例),然后A离开了synchronized块。
d>B进入synchronized块,由于instance此时不是null,因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
e>此时B线程打算使用Singleton实例,却发现它没有被初始化,于是错误发生了。
所以程序还是有可能发生错误,其实程序在运行过程是很复杂的,从这点我们就可以看出,尤其是在写多线程环境下的程序更有难度,有挑战性。
我们对该程序做进一步优化:
1.privatestaticclassSingletonFactory{
2.privatestaticSingletoninstance=newSingleton();
3.}
4.publicstaticSingletongetInstance(){
5.returnSingletonFactory.instance;
6.}
实际情况是,单例模式使用内部类来维护单例的实现,JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候,这个类的加载过程是线程互斥的。
这样当我们第一次调用getInstance的时候,JVM能够帮我们保证instance只被创建一次,并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕,这样我们就不用担心上面的问题。
同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制,这样就解决了低性能问题。
这样我们暂时总结一个完美的单例模式:
1.publicclassSingleton{
2./*私有构造方法,防止被实例化*/
3.privateSingleton(){
4.}
5./*此处使用一个内部类来维护单例*/
6.privatestaticclassSingletonFactory{
7.privatestaticSingletoninstance=newSingleton();
8.}
9./*获取实例*/
10.publicstaticSingletongetInstance(){
11.returnSingletonFactory.instance;
12.}
13./*如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致*/
14.publicObjectreadResolve(){
15.returngetInstance();
16.}
17.}
其实说它完美,也不一定,如果在构造函数中抛出异常,实例将永远得不到创建,也会出错。
所以说,十分完美的东西是没有的,我们只能根据实际情况,选择最适合自己应用场景的实现方法。
也有人这样实现:
因为我们只需要在创建类的时候进行同步,所以只要将创建和getInstance()分开,单独为创建加synchronized关键字,也是可以的:
1.publicclassSingletonTest{
2.privatestaticSingletonTestinstance=null;
3.privateSingletonTest(){
4.}
5.privatestaticsynchronizedvoidsyncInit(){
6.if(instance==null){
7.instance=newSingletonTest();
8.}
9.}
10.publicstaticSingletonTestgetInstance(){
11.if(instance==null){
12.syncInit();
13.}
14.returninstance;
15.}
16.}
考虑性能的话,整个程序只需创建一次实例,所以性能也不会有什么影响。
补充:
采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新
1.publicclassSingletonTest{
2.privatestaticSingletonTestinstance=null;
3.privateVectorproperties=null;
4.publicVectorgetProperties(){
5.returnproperties;
6.}
7.privateSingletonTest(){
8.}
9.privatestaticsynchronizedvo
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