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設計模式(Design Patterns)
——可複用面向對象軟件的基礎
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。使用設計模式是爲了可重用代碼、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,設計模式使代碼編制真正工程化,設計模式是軟件工程的基石,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,希望廣大程序愛好者,學好設計模式,做一個優秀的軟件工程師!
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一、設計模式的分類
總體來說設計模式分爲三大類:
創建型模式,共五種:工廠方法模式、抽象工廠模式、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、外觀模式、橋接模式、組合模式、享元模式。
行爲型模式,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、解釋器模式。
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展開放,對修改關閉。在程序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:爲了使程序的擴展性好,易於維護和升級。想要達到這樣的效果,我們需要使用接口和抽象類,後面的具體設計中我們會提到這點。
2、里氏代換原則(Liskov Substitution Principle)
里氏代換原則(Liskov Substitution Principle LSP)面向對象設計的基本原則之一。 里氏代換原則中說,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,軟件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爲。里氏代換原則是對“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,所以里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:真對接口編程,依賴於抽象而不依賴於具體。
4、接口隔離原則(Interface Segregation Principle)
這個原則的意思是:使用多個隔離的接口,比使用單個接口要好。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件的設計思想,從大型軟件架構出發,爲了升級和維護方便。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)
爲什麼叫最少知道原則,就是說:一個實體應當儘量少的與其他實體之間發生相互作用,使得系統功能模塊相對獨立。
6、合成複用原則(Composite Reuse Principle)
原則是儘量使用合成/聚合的方式,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,應用場景等情況,並結合他們的特點及設計模式的原則進行分析。
1、工廠方法模式(Factory Method)
工廠方法模式分爲三種:
11、普通工廠模式,就是建立一個工廠類,對實現了同一接口的一些類進行實例的創建。首先看下關係圖:
舉例如下:(我們舉一個發送郵件和短信的例子)
首先,創建二者的共同接口:
其次,創建實現類:
最後,建工廠類:
我們來測試下:
輸出:this is sms sender!
22、多個工廠方法模式,是對普通工廠方法模式的改進,在普通工廠方法模式中,如果傳遞的字符串出錯,則不能正確創建對象,而多個工廠方法模式是提供多個工廠方法,分別創建對象。關係圖:
將上面的代碼做下修改,改動下SendFactory類就行,如下:
測試類如下:
輸出:this is mailsender!
33、靜態工廠方法模式,將上面的多個工廠方法模式裏的方法置爲靜態的,不需要創建實例,直接調用即可。
輸出:this is mailsender!
總體來說,工廠模式適合:凡是出現了大量的產品需要創建,並且具有共同的接口時,可以通過工廠方法模式進行創建。在以上的三種模式中,第一種如果傳入的字符串有誤,不能正確創建對象,第三種相對於第二種,不需要實例化工廠類,所以,大多數情況下,我們會選用第三種——靜態工廠方法模式。
2、抽象工廠模式(Abstract Factory)
工廠方法模式有一個問題就是,類的創建依賴工廠類,也就是說,如果想要拓展程序,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?就用到抽象工廠模式,創建多個工廠類,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。因爲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:
兩個實現類:
兩個工廠類:
在提供一個接口:
測試類:
其實這個模式的好處就是,如果你現在想增加一個功能:發及時信息,則只需做一個實現類,實現Sender接口,同時做一個工廠類,實現Provider接口,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,該對象只有一個實例存在。這樣的模式有幾個好處:
1、某些類創建比較頻繁,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,降低了系統內存的使用頻率,減輕GC壓力。
3、有些類如交易所的核心交易引擎,控制着交易流程,如果該類可以創建多個的話,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,才能保證核心交易服務器獨立控制整個流程。
首先我們寫一個簡單的單例類:
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:
但是,synchronized關鍵字鎖住的是這個對象,這樣的用法,在性能上會有所下降,因爲每次調用getInstance(),都要對對象上鎖,事實上,只有在第一次創建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:
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爲null,並創建對象的時候才需要加鎖,性能有一定的提升。但是,這樣的情況,還是有可能有問題的,看下面的情況:在Java指令中創建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會爲新的Singleton實例分配空間,然後直接賦值給instance成員,然後再去初始化這個Singleton實例。這樣就可能出錯了,我們以A、B兩個線程爲例:
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爲null,所以它執行instance = new Singleton();
c>由於JVM內部的優化機制,JVM先畫出了一些分配給Singleton實例的空白內存,並賦值給instance成員(注意此時JVM沒有開始初始化這個實例),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序。
e>此時B線程打算使用Singleton實例,卻發現它沒有被初始化,於是錯誤發生了。
所以程序還是有可能發生錯誤,其實程序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序更有難度,有挑戰性。我們對該程序做進一步優化:
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加載的時候,這個類的加載過程是線程互斥的。這樣當我們第一次調用getInstance的時候,JVM能夠幫我們保證instance只被創建一次,並且會保證把賦值給instance的內存初始化完畢,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,這樣就解決了低性能問題。這樣我們暫時總結一個完美的單例模式:
其實說它完美,也不一定,如果在構造函數中拋出異常,實例將永遠得不到創建,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場景的實現方法。也有人這樣實現:因爲我們只需要在創建類的時候進行同步,所以只要將創建和getInstance()分開,單獨爲創建加synchronized關鍵字,也是可以的:
考慮性能的話,整個程序只需創建一次實例,所以性能也不會有什麼影響。
補充:採用"影子實例"的辦法爲單例對象的屬性同步更新
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,靜態類不能實現接口。(從類的角度說是可以的,但是那樣就破壞了靜態了。因爲接口中不允許有static修飾的方法,所以即使實現了也是非靜態的)
其次,單例可以被延遲初始化,靜態類一般在第一次加載是初始化。之所以延遲加載,是因爲有些類比較龐大,所以延遲加載有助於提升性能。
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,你可以在裏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創建單個類的模式,而建造者模式則是將各種產品集中起來進行管理,用來創建複合對象,所謂複合對象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工廠模式和最後的Test結合起來得到的。我們看一下代碼:
還和前面一樣,一個Sender接口,兩個實現類MailSender和SmsSender。最後,建造者類如下:
測試類:
從這點看出,建造者模式將很多功能集成到一個類裏,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:工廠模式關注的是創建單個產品,而建造者模式則關注創建符合對象,多個部分。因此,是選擇工廠模式還是建造者模式,依實際情況而定。
5、原型模式(Prototype)
原型模式雖然是創建型的模式,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爲原型,對其進行復制、克隆,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,先創建一個原型類:
很簡單,一個原型類,只需要實現Cloneable接口,覆寫clone方法,此處clone方法可以改成任意的名稱,因爲Cloneable接口是個空接口,你可以任意定義實現類的方法名,如cloneA或者cloneB,因爲此處的重點是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,首先需要了解對象深、淺複製的概念:
淺複製:將一個對象複製後,基本數據類型的變量都會重新創建,而引用類型,指向的還是原對象所指向的。
深複製:將一個對象複製後,不論是基本數據類型還有引用類型,都是重新創建的。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:
要實現深複製,需要採用流的形式讀入當前對象的二進制輸入,再寫出二進制數據對應的對象。
由於文章篇幅較長,爲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!