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精通设计模式
1. 设计模式的起源
最早提出“设计模式”概念的是建筑设计大师亚力山大Alexander。
在1970年他的《建筑的永恒之道》里描述了投计模式的发现,因为它已经存在了千百年之久,而现代才被通过大量的研究而被发现。
在《建筑的永恒之道》里这样描述:
模式是一条由三个部分组成的通用规则:
它表示了一个特定环境、一类问题和一个解决方案之间的关系。
每一个模式描述了一个不断重复发生的问题,以及该问题解决方案的核心设计。
在他的另一本书《建筑模式语言》中提到了现在已经定义了253种模式。
比如:
说明城市主要的结构:
亚文化区的镶嵌、分散的工作点、城市的魅力、地方交通区
住宅团组:
户型混合、公共性的程度、住宅团组、联排式住宅、丘状住宅、老人天地室内环境和室外环境、阴和阳总是一气呵成
针对住宅:
夫妻的领域、儿童的领域、朝东的卧室、农家的厨房、私家的沿街露台、个人居室、起居空间的序列、多床卧室、浴室、大储藏室
针对办公室、车间和公共建筑物:
灵活办公空间、共同进餐、共同小组、宾至如归、等候场所、小会议室、半私密办公室
尽管亚力山大的著作是针对建筑领域的,但他的观点实际上适用于所有的工程设计领域,其中也包括软件设计领域。
“软件设计模式”,这个术语是在1990年代由ErichGamma等人从建筑设计领域引入到计算机科学中来的。
目前主要有23种。
2. 软件设计模式的分类
2.1. 创建型
创建对象时,不再由我们直接实例化对象;而是根据特定场景,由程序来确定创建对象的方式,从而保证更大的性能、更好的架构优势。
创建型模式主要有简单工厂模式(并不是23种设计模式之一)、工厂方法、抽象工厂模式、单例模式、生成器模式和原型模式。
2.2. 结构型
用于帮助将多个对象组织成更大的结构。
结构型模式主要有适配器模式adapter、桥接模式bridge、组合器模式component、装饰器模式decorator、门面模式、亨元模式flyweight和代理模式proxy。
2.3. 行为型
用于帮助系统间各对象的通信,以及如何控制复杂系统中流程。
行为型模式主要有命令模式command、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式state、策略模式、模板模式和访问者模式。
3. 常见设计模式介绍
3.1. 单例模式(singleton)
有些时候,允许自由创建某个类的实例没有意义,还可能造成系统性能下降。
如果一个类始终只能创建一个实例,则这个类被称为单例类,这种模式就被称为单例模式。
一般建议单例模式的方法命名为:
getInstance(),这个方法的返回类型肯定是单例类的类型了。
getInstance方法可以有参数,这些参数可能是创建类实例所需要的参数,当然,大多数情况下是不需要的
publicclass Singleton{
publicstaticvoid main(String[]args)
{
//创建Singleton对象不能通过构造器,只能通过getInstance方法
Singletons1=Singleton.getInstance();
Singletons2=Singleton.getInstance();
//将输出true
System.out.println(s1==s2);
}
//使用一个变量来缓存曾经创建的实例
privatestatic Singleton instance;
//将构造器使用private修饰,隐藏该构造器
private Singleton(){
System.out.println("Singleton被构造!
");
}
//提供一个静态方法,用于返回Singleton实例
//该方法可以加入自定义的控制,保证只产生一个Singleton对象
publicstatic SingletongetInstance()
{
//如果instance为null,表明还不曾创建Singleton对象
//如果instance不为null,则表明已经创建了Singleton对象,将不会执行该方法
if (instance == null)
{
//创建一个Singleton对象,并将其缓存起来
instance = new Singleton();
}
returninstance;
}
}
单例模式主要有如下两个优势:
1) 减少创建Java实例所带来的系统开销
2) 便于系统跟踪单个Java实例的生命周期、实例状态等。
3.2. 简单工厂(StaticFactoryMethod)
简单工厂模式是由一个工厂对象决定创建出哪一种产品类的实例。
简单工厂模式是工厂模式家族中最简单实用的模式,可以理解为是不同工厂模式的一个特殊实现。
A实例调用B实例的方法,称为A依赖于B。
如果使用new关键字来创建一个B实例(硬编码耦合),然后调用B实例的方法。
一旦系统需要重构:
需要使用C类来代替B类时,程序不得不改写A类代码。
而用工厂模式则不需要关心B对象的实现、创建过程。
Output,接口
publicinterface Output
{
//接口里定义的属性只能是常量
intMAX_CACHE_LINE =50;
//接口里定义的只能是public的抽象实例方法
void out();
void getData(Stringmsg);
}
Printer,Output的一个实现
//让Printer类实现Output
publicclass Printer implements Output
{
private String[] printData = new String[MAX_CACHE_LINE];
//用以记录当前需打印的作业数
privateintdataNum =0;
publicvoid out()
{
//只要还有作业,继续打印
while(dataNum >0)
{
System.out.println("打印机打印:
" + printData[0]);
//把作业队列整体前移一位,并将剩下的作业数减1
System.arraycopy(printData ,1, printData,0,--dataNum);
}
}
publicvoid getData(Stringmsg)
{
if (dataNum >= MAX_CACHE_LINE)
{
System.out.println("输出队列已满,添加失败");
}
else
{
//把打印数据添加到队列里,已保存数据的数量加1。
printData[dataNum++]=msg;
}
}
}
BetterPrinter,Output的一个实现
publicclass BetterPrinter implements Output
{
private String[] printData = new String[MAX_CACHE_LINE *2];
//用以记录当前需打印的作业数
privateintdataNum =0;
publicvoid out()
{
//只要还有作业,继续打印
while(dataNum >0)
{
System.out.println("高速打印机正在打印:
" + printData[0]);
//把作业队列整体前移一位,并将剩下的作业数减1
System.arraycopy(printData ,1, printData,0,--dataNum);
}
}
publicvoid getData(Stringmsg)
{
if (dataNum >= MAX_CACHE_LINE *2)
{
System.out.println("输出队列已满,添加失败");
}
else
{
//把打印数据添加到队列里,已保存数据的数量加1。
printData[dataNum++]=msg;
}
}
}
OutputFactory,简单工厂类
public OutputgetPrinterOutput(Stringtype){
if (type.equalsIgnoreCase("better")){
returnnew BetterPrinter();
} else {
returnnew Printer();
}
}
Computer
publicclass Computer
{
private Output out;
public Computer(Outputout)
{
this.out =out;
}
//定义一个模拟获取字符串输入的方法
publicvoid keyIn(Stringmsg)
{
out.getData(msg);
}
//定义一个模拟打印的方法
publicvoid print()
{
out.out();
}
publicstaticvoid main(String[]args)
{
//创建OutputFactory
OutputFactoryof= new OutputFactory();
//将Output对象传入,创建Computer对象
Computerc= new Computer(of.getPrinterOutput("normal"));
c.keyIn("建筑永恒之道");
c.keyIn("建筑模式语言");
c.print();
c= new Computer(of.getPrinterOutput("better"));
c.keyIn("建筑永恒之道");
c.keyIn("建筑模式语言");
c.print();
}
使用简单工厂模式的优势:
让对象的调用者和对象创建过程分离,当对象调用者需要对象时,直接向工厂请求即可。
从而避免了对象的调用者与对象的实现类以硬编码方式耦合,以提高系统的可维护性、可扩展性。
工厂模式也有一个小小的缺陷:
当产品修改时,工厂类也要做相应的修改。
3.3. 工厂方法(FactoryMethod)和抽象工厂(AbstractFactory)
如果我们不想在工厂类中进行逻辑判断,程序可以为不同产品类提供不同的工厂,不同的工厂类和产不同的产品。
当使用工厂方法设计模式时,对象调用者需要与具体的工厂类耦合,如:
//工厂类的定义1
publicclass BetterPrinterFactory
implements OutputFactory
{
public OutputgetOutput()
{
//该工厂只负责产生BetterPrinter对象
returnnew BetterPrinter();
}
}
//工厂类的定义2
publicclass PrinterFactory
implements OutputFactory
{
public OutputgetOutput()
{
//该工厂只负责产生Printer对象
returnnew Printer();
}
}
//工厂类的调用
//OutputFactoryof=newBetterPrinterFactory();
OutputFactoryof= new PrinterFactory();
Computer c= new Computer(of.getOutput());
使用简单工厂类,需要在工厂类里做逻辑判断。
而工厂类虽然不用在工厂类做判断。
但是带来了另一种耦合:
客户端代码与不同的工厂类耦合。
为了解决客户端代码与不同工厂类耦合的问题。
在工厂类的基础上再增加一个工厂类,该工厂类不制造具体的被调用对象,而是制造不同工厂对象。
如:
//抽象工厂类的定义,在工厂类的基础上再建一个工厂类
publicclass OutputFactoryFactory
{
//仅定义一个方法用于返回输出设备。
publicstatic OutputFactorygetOutputFactory(
Stringtype)
{
if (type.equalsIgnoreCase("better"))
{
returnnew BetterPrinterFactory();
}
else
{
returnnew PrinterFactory();
}
}
}
//抽象工厂类的调用
OutputFactoryof=OutputFactoryFactory.getOutputFactory("better");
Computerc= new Computer(of.getOutput());
3.4. 代理模式(Proxy)
代理模式是一种应用非常广泛的设计模式,当客户端代码需要调用某个对象时,客户端实际上不关心是否准确得到该对象,它只要一个能提供该功能的对象即可,此时我们就可返回该对象的代理(Proxy)。
代理就是一个Java对象代表另一个Java对象来采取行动。
如:
publicclass ImageProxy implements Image
{
//组合一个image实例,作为被代理的对象
private Image image;
//使用抽象实体来初始化代理对象
public ImageProxy(Imageimage)
{
this.image =image;
}
/**
* 重写Image接口的show()方法
* 该方法用于控制对被代理对象的访问,
* 并根据需要负责创建和删除被代理对象
*/
publicvoid show()
{
//只有当真正需要调用image的show方法时才创建被代理对象
if (image == null)
{
image = new BigImage();
}
image.show();
}
}
调用时,先不创建:
Imageimage=newImageProxy(null);
hibernate默认启用延迟加载,当系统加载A实体时,A实体关联的B实体并未被加载出来,A实体所关联的B实体全部是代理对象——只有等到A实体真正需要访问B实体时,系统才会去数据库里抓取B实体所对应的记录。
借助于Java提供的Proxy和InvocationHandler,可以实现在运行时生成动态代理的功能,而动态代理对象就可以作为目标对象使用,而且增强了目标对象的功能。
如:
Panther
publicinterface Panther
{
//info方法声明
publicvoid info();
//run方法声明
publicvoid run();
}
GunPanther
publicclass GunPanther implements Panther
{
//info方法实现,仅仅打印一个字符串
publicvoid info()
{
System.out.println("我是一只猎豹!
");
}
//run方法实现,仅仅打印一个字符串
publicvoid run()
{
System.out.println("我奔跑迅速");
}
}
MyProxyFactory,创建代理对象
publicclass MyProxyFactory
{
//为指定target生成动态代理对象
publicstatic ObjectgetProxy(Objecttarget)
throws Exception
{
//创建一个MyInvokationHandler对象
MyInvokationHandlerhandler=
new MyInvokationHandler();
//为MyInvokationHandler设置target对象
handler.setTarget(target);
//创建、并返回一个动态代理
return Proxy.newProxyInstance(target.getClass().getClassLoader()
,target.getClass().getInterfaces(),handler);
}
}
MyInvokationHandler,增强代理的功能
publicclass MyInvokationHandler implements InvocationHandler
{
//需要被代理的对象
private Object target;
publicvoid setTarget(Objecttarget)
{
this.target =target;
}
//执行动态代理对象的所有方法时,都会被替换成执行如下的invoke方法
public Objectinvoke(Objectproxy,Methodmethod,Object[]args)
throws Exception
{
TxUtiltx= new TxUtil();
//执行TxUtil对象中的beginTx。
tx.beginTx();
//以target作为主调来执行method方法
Objectresult=method.invoke(target ,args);
//执行TxUtil对象中的endTx。
tx.endTx();
return result;
}
}
TxUtil
publicclass TxUtil
{
//第一个拦截器方法:
模拟事务开始
publicvoid beginTx()
{
System.out.println("=====模拟开始事务=====");
}
//第二个拦截器方法:
模拟事务结束
publicvoid endTx()
{
System.out.println("=====模拟结束事务=====");
}
}
测试
publicstaticvoid main(String[]args)
throws Exception
{
//创建一个原始的GunDog对象,作为target
Panthertarget= new GunPanther();
//以指定的target来创建动态代理
Pantherpanther=(Panther)MyProxyFactory.getProxy(target);
//调用代理对象的info()和run()方法
panther.info();
panther.run();
}
spring所创建的AOP代理就是这种动态代理。
但是SpringAOP更灵活。
3.5. 命令模式(Command)
某个方法需要完成某一个功能,完成这个功能的大部分步骤已经确定了,但可能有少量具体步骤无法确定,必须等到执行该方法时才可以确定。
(在某些编程语言如Ruby、Perl里,允许传入一个代码块作为参数。
但Jara暂时还不支持代码块作为参数)。
在Java中,传入该方法的是一个对象,该对象通常是某个接口的匿名实现类的实例,该接口通常被称为命令接口,这种设计方式也被称为命令模式。
如:
Command
publicinterface Command
{
//接口里定义的process方法用于封装“处理行为”
void process(int[]target);
}
ProcessArray
publicclass ProcessArray
{
//定义一个each()方法,用于处理数组,
publicvoid each(int[]target,Command cmd)
{
cmd.process(target);
}
}
TestCommand
publicclass TestCommand
{
publicstaticv
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