23種設計模式全解析一

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

總原則：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，而是要擴展原有代碼，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等，後面的具體設計中我們會提到這點。

1、單一職責原則

不要存在多於一個導致類變更的原因，也就是說每個類應該實現單一的職責，如若不然，就應該把類拆分。

2、里氏替換原則（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

歷史替換原則中，子類對父類的方法儘量不要重寫和重載。因爲父類代表了定義好的結構，通過這個規範的接口與外界交互，子類不應該隨便破壞它。

3、依賴倒轉原則（Dependence Inversion Principle）

這個是開閉原則的基礎，具體內容：面向接口編程，依賴於抽象而不依賴於具體。寫代碼時用到具體類時，不與具體類交互，而與具體類的上層接口交互。

4、接口隔離原則（Interface Segregation Principle）

這個原則的意思是：每個接口中不存在子類用不到卻必須實現的方法，如果不然，就要將接口拆分。使用多個隔離的接口，比使用單個接口（多個接口方法集合到一個的接口）要好。

5、迪米特法則（最少知道原則）（Demeter Principle）

就是說：一個類對自己依賴的類知道的越少越好。也就是說無論被依賴的類多麼複雜，都應該將邏輯封裝在方法的內部，通過public方法提供給外部。這樣當被依賴的類變化時，才能最小的影響該類。

最少知道原則的另一個表達方式是：只與直接的朋友通信。類之間只要有耦合關係，就叫朋友關係。耦合分爲依賴、關聯、聚合、組合等。我們稱出現爲成員變量、方法參數、方法返回值中的類爲直接朋友。局部變量、臨時變量則不是直接的朋友。我們要求陌生的類不要作爲局部變量出現在類中。

6、合成複用原則（Composite Reuse Principle）

原則是儘量首先使用合成/聚合的方式，而不是使用繼承。

三、Java的23中設計模式

A、創建模式

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。

首先，簡單工廠模式不屬於23中涉及模式，簡單工廠一般分爲：普通簡單工廠、多方法簡單工廠、靜態方法簡單工廠。

0、簡單工廠模式

簡單工廠模式模式分爲三種：

01、普通

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：

[java] view plaincopy

1. public interface Sender {  

2.     public void Send();  

3. }  

其次，創建實現類：

[java] view plaincopy

1. public class MailSender implements Sender {  

2.     @Override  

3.     public void Send() {  

4.         System.out.println("this is mailsender!");  

5.     }  

6. }  

[java] view plaincopy

1. public class SmsSender implements Sender {  

2.   

3.     @Override  

4.     public void Send() {  

5.         System.out.println("this is sms sender!");  

6.     }  

7. }  

最後，建工廠類：

[java] view plaincopy

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("請輸入正確的類型!");  

10.             return null;  

11.         }  

12.     }  

13. }  

我們來測試下：

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. }  

輸出：this is sms sender!

02、多個方法

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：

[java] view plaincopypublic class SendFactory {  

   public Sender produceMail(){  

1.         return new MailSender();  

2.     }  

3.       

4.     public Sender produceSms(){  

5.         return new SmsSender();  

6.     }  

7. }  

測試類如下：

[java] view plaincopy

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. }  

輸出：this is mailsender!

03、多個靜態方法

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。

[java] view plaincopy

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] view plaincopy

1. public class FactoryTest {  

2.   

3.     public static void main(String[] args) {      

4.         Sender sender = SendFactory.produceMail();  

5.         sender.Send();  

6.     }  

7. }  

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。

1、工廠方法模式（Factory Method）

簡單工廠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？就用到工廠方法模式，創建一個工廠接口和創建多個工廠實現類，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。

請看例子：

[java] view plaincopy

1. public interface Sender {  

2.     public void Send();  

3. }  

兩個實現類：

[java] view plaincopy

1. public class MailSender implements Sender {  

2.     @Override  

3.     public void Send() {  

4.         System.out.println("this is mailsender!");  

5.     }  

6. }  

[java] view plaincopy

1. public class SmsSender implements Sender {  

2.   

3.     @Override  

4.     public void Send() {  

5.         System.out.println("this is sms sender!");  

6.     }  

7. }  

兩個工廠類：

[java] view plaincopy

1. public class SendMailFactory implements Provider {  

2.       

3.     @Override  

4.     public Sender produce(){  

5.         return new MailSender();  

6.     }  

7. }  

[java] view plaincopy

1. public class SendSmsFactory implements Provider{  

2.   

3.     @Override  

4.     public Sender produce() {  

5.         return new SmsSender();  

6.     }  

7. }  

在提供一個接口：

[java] view plaincopy

1. public interface Provider {  

2.     public Sender produce();  

3. }  

測試類：

[java] view plaincopy

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！

2、抽象工廠模式

工廠方法模式和抽象工廠模式不好分清楚，他們的區別如下：

工廠方法模式：
一個抽象產品類，可以派生出多個具體產品類。   
一個抽象工廠類，可以派生出多個具體工廠類。   
每個具體工廠類只能創建一個具體產品類的實例。

抽象工廠模式：
多個抽象產品類，每個抽象產品類可以派生出多個具體產品類。   
一個抽象工廠類，可以派生出多個具體工廠類。   
每個具體工廠類可以創建多個具體產品類的實例，也就是創建的是一個產品線下的多個產品。   
    
區別：
工廠方法模式只有一個抽象產品類，而抽象工廠模式有多個。   
工廠方法模式的具體工廠類只能創建一個具體產品類的實例，而抽象工廠模式可以創建多個。

工廠方法創建 "一種" 產品，他的着重點在於"怎麼創建"，也就是說如果你開發，你的大量代碼很可能圍繞着這種產品的構造，初始化這些細節上面。也因爲如此，類似的產品之間有很多可以複用的特徵，所以會和模版方法相隨。 

抽象工廠需要創建一些列產品，着重點在於"創建哪些"產品上，也就是說，如果你開發，你的主要任務是劃分不同差異的產品線，並且儘量保持每條產品線接口一致，從而可以從同一個抽象工廠繼承。

對於java來說，你能見到的大部分抽象工廠模式都是這樣的：
---它的裏面是一堆工廠方法，每個工廠方法返回某種類型的對象。

比如說工廠可以生產鼠標和鍵盤。那麼抽象工廠的實現類（它的某個具體子類）的對象都可以生產鼠標和鍵盤，但可能工廠A生產的是羅技的鍵盤和鼠標，工廠B是微軟的。

這樣A和B就是工廠，對應於抽象工廠；
每個工廠生產的鼠標和鍵盤就是產品，對應於工廠方法；

用了工廠方法模式，你替換生成鍵盤的工廠方法，就可以把鍵盤從羅技換到微軟。但是用了抽象工廠模式，你只要換家工廠，就可以同時替換鼠標和鍵盤一套。如果你要的產品有幾十個，當然用抽象工廠模式一次替換全部最方便（這個工廠會替你用相應的工廠方法）

所以說抽象工廠就像工廠，而工廠方法則像是工廠的一種產品生產線

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：

[java] view plaincopy

1. public class Singleton {  

2.   

3.     /* 持有私有靜態實例，防止被引用，此處賦值爲null，目的是實現延遲加載 */  

4.     private static Singleton instance = null;  

5.   

6.     /* 私有構造方法，防止被實例化 */  

7.     private Singleton() {  

8.     }  

9.   

10.     /* 靜態工程方法，創建實例 */  

11.     public static Singleton getInstance() {  

12.         if (instance == null) {  

13.             instance = new Singleton();  

14.         }  

15.         return instance;  

16.     }  

17.   

18.     /* 如果該對象被用於序列化，可以保證對象在序列化前後保持一致 */  

19.     public Object readResolve() {  

20.         return instance;  

21.     }  

22. }  

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：

[java] view plaincopy

1. public static synchronized Singleton getInstance() {  

2.         if (instance == null) {  

3.             instance = new Singleton();  

4.         }  

5.         return instance;  

6.     }  

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：

[java] view plaincopy

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：

[java] view plaincopy

1. private static class SingletonFactory{           

2.         private static Singleton instance = new Singleton();           

3.     }           

4.     public static Singleton getInstance(){           

5.         return SingletonFactory.instance;           

6.     }   

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：

[java] view plaincopy

1. public class Singleton {  

2.   

3.     /* 私有構造方法，防止被實例化 */  

4.     private Singleton() {  

5.     }  

6.   

7.     /* 此處使用一個內部類來維護單例 */  

8.     private static class SingletonFactory {  

9.         private static Singleton instance = new Singleton();  

10.     }  

11.   

12.     /* 獲取實例 */  

13.     public static Singleton getInstance() {  

14.         return SingletonFactory.instance;  

15.     }  

16.   

17.     /* 如果該對象被用於序列化，可以保證對象在序列化前後保持一致 */  

18.     public Object readResolve() {  

19.         return getInstance();  

20.     }  

21. }  

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：

[java] view plaincopy

1. public class SingletonTest {  

2.   

3.     private static SingletonTest instance = null;  

4.   

5.     private SingletonTest() {  

6.     }  

7.   

8.     private static synchronized void syncInit() {  

9.         if (instance == null) {  

10.             instance = new SingletonTest();  

11.         }  

12.     }  

13.   

14.     public static SingletonTest getInstance() {  

15.         if (instance == null) {  

16.             syncInit();  

17.         }  

18.         return instance;  

19.     }  

20. }  

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

[java] view plaincopy

1. public class SingletonTest {  

2.   

3.     private static SingletonTest instance = null;  

4.     private Vector properties = null;  

5.   

6.     public Vector getProperties() {  

7.         return properties;  

8.     }  

9.   

10.     private SingletonTest() {  

11.     }  

12.   

13.     private static synchronized void syncInit() {  

14.         if (instance == null) {  

15.             instance = new SingletonTest();  

16.         }  

17.     }  

18.   

19.     public static SingletonTest getInstance() {  

20.         if (instance == null) {  

21.             syncInit();  

22.         }  

23.         return instance;  

24.     }  

25.   

26.     public void updateProperties() {  

27.         SingletonTest shadow = new SingletonTest();  

28.         properties = shadow.getProperties();  

29.     }  

30. }  

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）

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：

[java] view plaincopy

1. public class Prototype implements Cloneable {  

2.   

3.     public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  

4.         Prototype proto = (Prototype) super.clone();  

5.         return proto;  

6.     }  

7. }  

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：

[java] view plaincopy

1. public class Prototype implements Cloneable, Serializable {  

2.   

3.     private static final long serialVersionUID = 1L;  

4.     private String string;  

5.   

6.     private SerializableObject obj;  

7.   

8.     /* 淺複製 */  

9.     public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  

10.         Prototype proto = (Prototype) super.clone();  

11.         return proto;  

12.     }  

13.   

14.     /* 深複製 */  

15.     public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {  

16.   

17.         /* 寫入當前對象的二進制流 */  

18.         ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();  

19.         ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);  

20.         oos.writeObject(this);  

21.   

22.         /* 讀出二進制流產生的新對象 */  

23.         ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());  

24.         ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);  

25.         return ois.readObject();  

26.     }  

27.   

28.     public String getString() {  

29.         return string;  

30.     }  

31.   

32.     public void setString(String string) {  

33.         this.string = string;  

34.     }  

35.   

36.     public SerializableObject getObj() {  

37.         return obj;  

38.     }  

39.   

40.     public void setObj(SerializableObject obj) {  

41.         this.obj = obj;  

42.     }  

43.   

44. }  

45.   

46. class SerializableObject implements Serializable {  

47.     private static final long serialVersionUID = 1L;  

48. }  

 

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。