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Java之美[从菜鸟到高手演变]之设计模式

导读:          设计模式(Design Patterns)                                  ——可复用面向对象软件的基础设计模式(Design pattern)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...。。。

          设计模式(Design Patterns)

                                  ——可复用面向对象软件的基础

设计模式(Design pattern)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。本章系Java之美[从菜鸟到高手演变]系列之设计模式,我们会以理论与实践相结合的方式来进行本章的学习,希望广大程序爱好者,学好设计模式,做一个优秀的软件工程师!

在阅读过程中有任何问题,请及时联系:egg。

邮箱:xtfggef@gmail.com 微博:http://weibo.com/xtfggef

如有转载,请说明出处:http://blog.csdn.net/zhangerqing

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(Open Close Principle)

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(Liskov Substitution Principle)

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)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。—— From Baidu 百科

3、依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)

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(Interface Segregation Principle)

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)(Demeter Principle)

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(Composite Reuse Principle)

原则是尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承。

三、Java的23中设计模式

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(Factory Method)

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:

public interface Sender { public void Send();}

其次,创建实现类:

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

最后,建工厂类:

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("请输入正确的类型!");   return null;  } }}

我们来测试下:

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

输出:this is sms sender!

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:

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

测试类如下:

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

输出:this is mailsender!

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。

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(); }}

输出:this is mailsender!

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(Abstract Factory)

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:

public interface Sender { public void Send();}

两个实现类:

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

两个工厂类:

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

在提供一个接口:

public interface Provider { public Sender produce();}

测试类:

public class Test { public static void main(String[] args) {  Provider provider = new SendMailFactory();  Sender sender = provider.produce();  sender.Send(); }}

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:

public class Singleton { /* 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 */ private static Singleton instance = null; /* 私有构造方法,防止被实例化 */ private Singleton() { } /* 静态工程方法,创建实例 */ public static Singleton getInstance() {  if (instance == null) {   instance = new Singleton();  }  return instance; } /* 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 */ public Object readResolve() {  return instance; }}


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:

public static synchronized Singleton getInstance() {  if (instance == null) {   instance = new Singleton();  }  return instance; }

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:

public static Singleton getInstance() {  if (instance == null) {   synchronized (instance) {    if (instance == null) {     instance = new Singleton();    }   }  }  return instance; }

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 = new Singleton();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 = new Singleton();

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:

private static class SingletonFactory{                 private static Singleton instance = new Singleton();             }             public static Singleton getInstance(){                 return SingletonFactory.instance;             } 

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:

public class Singleton { /* 私有构造方法,防止被实例化 */ private Singleton() { } /* 此处使用一个内部类来维护单例 */ private static class SingletonFactory {  private static Singleton instance = new Singleton(); } /* 获取实例 */ public static Singleton getInstance() {  return SingletonFactory.instance; } /* 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 */ public Object readResolve() {  return getInstance(); }}

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:

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

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(); }}

通过单例模式的学习告诉我们:

1、单例模式理解起来简单,但是具体实现起来还是有一定的难度。

2、synchronized关键字锁定的是对象,在用的时候,一定要在恰当的地方使用(注意需要使用锁的对象和过程,可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁)。

到这儿,单例模式基本已经讲完了,结尾处,笔者突然想到另一个问题,就是采用类的静态方法,实现单例模式的效果,也是可行的,此处二者有什么不同?

首先,静态类不能实现接口。(从类的角度说是可以的,但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法,所以即使实现了也是非静态的)

其次,单例可以被延迟初始化,静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载,是因为有些类比较庞大,所以延迟加载有助于提升性能。

再次,单例类可以被继承,他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static,无法被覆写。

最后一点,单例类比较灵活,毕竟从实现上只是一个普通的Java类,只要满足单例的基本需求,你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能,但是静态类不行。从上面这些概括中,基本可以看出二者的区别,但是,从另一方面讲,我们上面最后实现的那个单例模式,内部就是用一个静态类来实现的,所以,二者有很大的关联,只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合,才能造就出完美的解决方案,就像HashMap采用数组+链表来实现一样,其实生活中很多事情都是这样,单用不同的方法来处理问题,总是有优点也有缺点,最完美的方法是,结合各个方法的优点,才能最好的解决问题!

4、建造者模式(Builder)

工厂类模式提供的是创建单个类的模式,而建造者模式则是将各种产品集中起来进行管理,用来创建复合对象,所谓复合对象就是指某个类具有不同的属性,其实建造者模式就是前面抽象工厂模式和最后的Test结合起来得到的。我们看一下代码:

还和前面一样,一个Sender接口,两个实现类MailSender和SmsSender。最后,建造者类如下:

public class Builder {  private List list = new ArrayList();  public void produceMailSender(int count){  for(int i=0; i

测试类:

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

从这点看出,建造者模式将很多功能集成到一个类里,这个类可以创造出比较复杂的东西。所以与工程模式的区别就是:工厂模式关注的是创建单个产品,而建造者模式则关注创建符合对象,多个部分。因此,是选择工厂模式还是建造者模式,依实际情况而定。

5、原型模式(Prototype)

原型模式虽然是创建型的模式,但是与工程模式没有关系,从名字即可看出,该模式的思想就是将一个对象作为原型,对其进行复制、克隆,产生一个和原对象类似的新对象。本小结会通过对象的复制,进行讲解。在Java中,复制对象是通过clone()实现的,先创建一个原型类:

public class Prototype implements Cloneable { public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  Prototype proto = (Prototype) super.clone();  return proto; }}

很简单,一个原型类,只需要实现Cloneable接口,覆写clone方法,此处clone方法可以改成任意的名称,因为Cloneable接口是个空接口,你可以任意定义实现类的方法名,如cloneA或者cloneB,因为此处的重点是super.clone()这句话,super.clone()调用的是Object的clone()方法,而在Object类中,clone()是native的,具体怎么实现,我会在另一篇文章中,关于解读Java中本地方法的调用,此处不再深究。在这儿,我将结合对象的浅复制和深复制来说一下,首先需要了解对象深、浅复制的概念:

浅复制:将一个对象复制后,基本数据类型的变量都会重新创建,而引用类型,指向的还是原对象所指向的。

深复制:将一个对象复制后,不论是基本数据类型还有引用类型,都是重新创建的。简单来说,就是深复制进行了完全彻底的复制,而浅复制不彻底。

此处,写一个深浅复制的例子:

public class Prototype implements Cloneable, Serializable { private static final long serialVersionUID = 1L; private String string; private SerializableObject obj; /* 浅复制 */ public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  Prototype proto = (Prototype) super.clone();  return proto; } /* 深复制 */ public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {  /* 写入当前对象的二进制流 */  ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();  ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);  oos.writeObject(this);  /* 读出二进制流产生的新对象 */  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;}

要实现深复制,需要采用流的形式读入当前对象的二进制输入,再写出二进制数据对应的对象。

由于文章篇幅较长,为了更好的方便读者阅读,我将接下了的其它介绍放在另一篇文章中(也许会分两篇来),感谢大家提出宝贵的意见和建议!

如有问题请联系:egg

Email:xtfggef@gmail.com  微博:http://weibo.com/xtfggef

(编辑: zhangerqing)

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