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32设计模式
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
总原则:
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,而是要扩展原有代码,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等,后面的具体设计中我们会提到这点。
1、单一职责原则
不要存在多于一个导致类变更的原因,也就是说每个类应该实现单一的职责,如若不然,就应该把类拆分。
2、里氏替换原则(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
历史替换原则中,子类对父类的方法尽量不要重写和重载。
因为父类代表了定义好的结构,通过这个规范的接口与外界交互,子类不应该随便破坏它。
3、依赖倒转原则(DependenceInversionPrinciple)
这个是开闭原则的基础,具体内容:
面向接口编程,依赖于抽象而不依赖于具体。
写代码时用到具体类时,不与具体类交互,而与具体类的上层接口交互。
4、接口隔离原则(InterfaceSegregationPrinciple)
这个原则的意思是:
每个接口中不存在子类用不到却必须实现的方法,如果不然,就要将接口拆分。
使用多个隔离的接口,比使用单个接口(多个接口方法集合到一个的接口)要好。
5、迪米特法则(最少知道原则)(DemeterPrinciple)
就是说:
一个类对自己依赖的类知道的越少越好。
也就是说无论被依赖的类多么复杂,都应该将逻辑封装在方法的内部,通过public方法提供给外部。
这样当被依赖的类变化时,才能最小的影响该类。
最少知道原则的另一个表达方式是:
只与直接的朋友通信。
类之间只要有耦合关系,就叫朋友关系。
耦合分为依赖、关联、聚合、组合等。
我们称出现为成员变量、方法参数、方法返回值中的类为直接朋友。
局部变量、临时变量则不是直接的朋友。
我们要求陌生的类不要作为局部变量出现在类中。
6、合成复用原则(CompositeReusePrinciple)
原则是尽量首先使用合成/聚合的方式,而不是使用继承。
三、Java的23中设计模式
A、创建模式
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。
首先,简单工厂模式不属于23中涉及模式,简单工厂一般分为:
普通简单工厂、多方法简单工厂、静态方法简单工厂。
0、简单工厂模式
简单工厂模式模式分为三种:
01、普通
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:
[java] viewplaincopy
1.public interface Sender {
2. public void Send();
3.}
其次,创建实现类:
[java] viewplaincopy
1.public class MailSender implements Sender {
2. @Override
3. public void Send() {
4. System.out.println("this is mailsender!
");
5. }
6.}
[java] viewplaincopy
1.public class SmsSender implements Sender {
2.
3. @Override
4. public void Send() {
5. System.out.println("this is sms sender!
");
6. }
7.}
最后,建工厂类:
[java] viewplaincopy
1.public class SendFactory {
2.
3. public Sender produce(String type) {
4. if ("mail".equals(type)) {
5. return new MailSender();
6. } else if ("sms".equals(type)) {
7. return new SmsSender();
8. } else {
9. System.out.println("请输入正确的类型!
");
10. return null;
11. }
12. }
13.}
我们来测试下:
1.public class FactoryTest {
2.
3. public static void main(String[] args) {
4. SendFactory factory = new SendFactory();
5. Sender sender = factory.produce("sms");
6. sender.Send();
7. }
8.}
输出:
thisissmssender!
02、多个方法
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:
[java] viewplaincopypublic class SendFactory {
public Sender produceMail(){
1. return new MailSender();
2. }
3.
4. public Sender produceSms(){
5. return new SmsSender();
6. }
7.}
测试类如下:
[java] viewplaincopy
1.public class FactoryTest {
2.
3. public static void main(String[] args) {
4. SendFactory factory = new SendFactory();
5. Sender sender = factory.produceMail();
6. sender.Send();
7. }
8.}
输出:
thisismailsender!
03、多个静态方法
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。
[java] viewplaincopy
1.public class SendFactory {
2.
3. public static Sender produceMail(){
4. return new MailSender();
5. }
6.
7. public static Sender produceSms(){
8. return new SmsSender();
9. }
10.}
[java] viewplaincopy
1.public class FactoryTest {
2.
3. public static void main(String[] args) {
4. Sender sender = SendFactory.produceMail();
5. sender.Send();
6. }
7.}
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。
1、工厂方法模式(FactoryMethod)
简单工厂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?
就用到工厂方法模式,创建一个工厂接口和创建多个工厂实现类,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。
请看例子:
[java] viewplaincopy
1.public interface Sender {
2. public void Send();
3.}
两个实现类:
[java] viewplaincopy
1.public class MailSender implements Sender {
2. @Override
3. public void Send() {
4. System.out.println("this is mailsender!
");
5. }
6.}
[java] viewplaincopy
1.public class SmsSender implements Sender {
2.
3. @Override
4. public void Send() {
5. System.out.println("this is sms sender!
");
6. }
7.}
两个工厂类:
[java] viewplaincopy
1.public class SendMailFactory implements Provider {
2.
3. @Override
4. public Sender produce(){
5. return new MailSender();
6. }
7.}
[java] viewplaincopy
1.public class SendSmsFactory implements Provider{
2.
3. @Override
4. public Sender produce() {
5. return new SmsSender();
6. }
7.}
在提供一个接口:
[java] viewplaincopy
1.public interface Provider {
2. public Sender produce();
3.}
测试类:
[java] viewplaincopy
1.public class Test {
2.
3. public static void main(String[] args) {
4. Provider provider = new SendMailFactory();
5. Sender sender = provider.produce();
6. sender.Send();
7. }
8.}
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!
2、抽象工厂模式
工厂方法模式和抽象工厂模式不好分清楚,他们的区别如下:
工厂方法模式:
一个抽象产品类,可以派生出多个具体产品类。
一个抽象工厂类,可以派生出多个具体工厂类。
每个具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例。
抽象工厂模式:
多个抽象产品类,每个抽象产品类可以派生出多个具体产品类。
一个抽象工厂类,可以派生出多个具体工厂类。
每个具体工厂类可以创建多个具体产品类的实例,也就是创建的是一个产品线下的多个产品。
区别:
工厂方法模式只有一个抽象产品类,而抽象工厂模式有多个。
工厂方法模式的具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例,而抽象工厂模式可以创建多个。
工厂方法创建"一种"产品,他的着重点在于"怎么创建",也就是说如果你开发,你的大量代码很可能围绕着这种产品的构造,初始化这些细节上面。
也因为如此,类似的产品之间有很多可以复用的特征,所以会和模版方法相随。
抽象工厂需要创建一些列产品,着重点在于"创建哪些"产品上,也就是说,如果你开发,你的主要任务是划分不同差异的产品线,并且尽量保持每条产品线接口一致,从而可以从同一个抽象工厂继承。
对于java来说,你能见到的大部分抽象工厂模式都是这样的:
---它的里面是一堆工厂方法,每个工厂方法返回某种类型的对象。
比如说工厂可以生产鼠标和键盘。
那么抽象工厂的实现类(它的某个具体子类)的对象都可以生产鼠标和键盘,但可能工厂A生产的是罗技的键盘和鼠标,工厂B是微软的。
这样A和B就是工厂,对应于抽象工厂;
每个工厂生产的鼠标和键盘就是产品,对应于工厂方法;
用了工厂方法模式,你替换生成键盘的工厂方法,就可以把键盘从罗技换到微软。
但是用了抽象工厂模式,你只要换家工厂,就可以同时替换鼠标和键盘一套。
如果你要的产品有几十个,当然用抽象工厂模式一次替换全部最方便(这个工厂会替你用相应的工厂方法)
所以说抽象工厂就像工厂,而工厂方法则像是工厂的一种产品生产线
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:
[java] viewplaincopy
1.public class Singleton {
2.
3. /* 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 */
4. private static Singleton instance = null;
5.
6. /* 私有构造方法,防止被实例化 */
7. private Singleton() {
8. }
9.
10. /* 静态工程方法,创建实例 */
11. public static Singleton getInstance() {
12. if (instance == null) {
13. instance = new Singleton();
14. }
15. return instance;
16. }
17.
18. /* 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 */
19. public Object readResolve() {
20. return instance;
21. }
22.}
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:
[java] viewplaincopy
1.public static synchronized Singleton getInstance() {
2. if (instance == null) {
3. instance = new Singleton();
4. }
5. return instance;
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:
[java] viewplaincopy
1.public static Singleton getInstance() {
2. if (instance == null) {
3. synchronized (instance) {
4. if (instance == null) {
5. instance = new Singleton();
6. }
7. }
8. }
9. return instance;
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:
[java] viewplaincopy
1.private static class SingletonFactory{
2. private static Singleton instance = new Singleton();
3. }
4. public static Singleton getInstance(){
5. return SingletonFactory.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:
[java] viewplaincopy
1.public class Singleton {
2.
3. /* 私有构造方法,防止被实例化 */
4. private Singleton() {
5. }
6.
7. /* 此处使用一个内部类来维护单例 */
8. private static class SingletonFactory {
9. private static Singleton instance = new Singleton();
10. }
11.
12. /* 获取实例 */
13. public
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