Java從菜鳥(niǎo)到高手之設(shè)計(jì)模式.doc

Java從菜鳥(niǎo)到高手之設(shè)計(jì)模式設(shè)計(jì)模式（Design pattern）是一套被反復(fù)使用、多數(shù)人知曉的、經(jīng)過(guò)分類(lèi)編目的、代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。使用設(shè)計(jì)模式是為了可重用代碼、讓代碼更容易被他人理解、保證代碼可靠性。 毫無(wú)疑問(wèn)，設(shè)計(jì)模式于己于他人于系統(tǒng)都是多贏的，設(shè)計(jì)模式使代碼編制真正工程化，設(shè)計(jì)模式是軟件工程的基石，如同大廈的一塊塊磚石一樣。項(xiàng)目中合理的運(yùn)用設(shè)計(jì)模式可以完美的解決很多問(wèn)題，每種模式在現(xiàn)在中都有相應(yīng)的原理來(lái)與之對(duì)應(yīng)，每一個(gè)模式描述了一個(gè)在我們周?chē)粩嘀貜?fù)發(fā)生的問(wèn)題，以及該問(wèn)題的核心解決方案，這也是它能被廣泛應(yīng)用的原因。我會(huì)以理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行本章的學(xué)習(xí)，希望廣大程序愛(ài)好者，學(xué)好設(shè)計(jì)模式，做一個(gè)優(yōu)秀的軟件工程師！一、設(shè)計(jì)模式的分類(lèi)總體來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)模式分為三大類(lèi)：創(chuàng)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(jié)構(gòu)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。行為型模式，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(zé)任鏈模式、命令模式、備忘錄模式、狀態(tài)模式、訪問(wèn)者模式、中介者模式、解釋器模式。其實(shí)還有兩類(lèi)：并發(fā)型模式和線程池模式。用一個(gè)圖片來(lái)整體描述一下：二、設(shè)計(jì)模式的六大原則1、開(kāi)閉原則（Open Close Principle）開(kāi)閉原則就是說(shuō)對(duì)擴(kuò)展開(kāi)放，對(duì)修改關(guān)閉。在程序需要進(jìn)行拓展的時(shí)候，不能去修改原有的代碼，實(shí)現(xiàn)一個(gè)熱插拔的效果。所以一句話概括就是：為了使程序的擴(kuò)展性好，易于維護(hù)和升級(jí)。想要達(dá)到這樣的效果，我們需要使用接口和抽象類(lèi)，后面的具體設(shè)計(jì)中我們會(huì)提到這點(diǎn)。2、里氏代換原則（Liskov Substitution Principle）里氏代換原則(Liskov Substitution Principle LSP)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的基本原則之一。 里氏代換原則中說(shuō)，任何基類(lèi)可以出現(xiàn)的地方，子類(lèi)一定可以出現(xiàn)。 LSP是繼承復(fù)用的基石，只有當(dāng)衍生類(lèi)可以替換掉基類(lèi)，軟件單位的功能不受到影響時(shí)，基類(lèi)才能真正被復(fù)用，而衍生類(lèi)也能夠在基類(lèi)的基礎(chǔ)上增加新的行為。里氏代換原則是對(duì)“開(kāi)-閉”原則的補(bǔ)充。實(shí)現(xiàn)“開(kāi)-閉”原則的關(guān)鍵步驟就是抽象化。而基類(lèi)與子類(lèi)的繼承關(guān)系就是抽象化的具體實(shí)現(xiàn)，所以里氏代換原則是對(duì)實(shí)現(xiàn)抽象化的具體步驟的規(guī)范。 From Baidu 百科3、依賴倒轉(zhuǎn)原則（Dependence Inversion Principle）這個(gè)是開(kāi)閉原則的基礎(chǔ)，具體內(nèi)容：真對(duì)接口編程，依賴于抽象而不依賴于具體。4、接口隔離原則（Interface Segregation Principle）這個(gè)原則的意思是：使用多個(gè)隔離的接口，比使用單個(gè)接口要好。還是一個(gè)降低類(lèi)之間的耦合度的意思，從這兒我們看出，其實(shí)設(shè)計(jì)模式就是一個(gè)軟件的設(shè)計(jì)思想，從大型軟件架構(gòu)出發(fā)，為了升級(jí)和維護(hù)方便。所以上文中多次出現(xiàn)：降低依賴，降低耦合。5、迪米特法則（最少知道原則）（Demeter Principle）為什么叫最少知道原則，就是說(shuō)：一個(gè)實(shí)體應(yīng)當(dāng)盡量少的與其他實(shí)體之間發(fā)生相互作用，使得系統(tǒng)功能模塊相對(duì)獨(dú)立。6、合成復(fù)用原則（Composite Reuse Principle）原則是盡量使用合成/聚合的方式，而不是使用繼承。三、Java的23中設(shè)計(jì)模式從這一塊開(kāi)始，我們?cè)敿?xì)介紹Java中23種設(shè)計(jì)模式的概念，應(yīng)用場(chǎng)景等情況，并結(jié)合他們的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)模式的原則進(jìn)行分析。1、工廠方法模式（Factory Method）工廠方法模式分為三種：11、普通工廠模式，就是建立一個(gè)工廠類(lèi)，對(duì)實(shí)現(xiàn)了同一接口的一些類(lèi)進(jìn)行實(shí)例的創(chuàng)建。首先看下關(guān)系圖：舉例如下：（我們舉一個(gè)發(fā)送郵件和短信的例子）首先，創(chuàng)建二者的共同接口：java view plain copypublic interface Sender public void Send(); 其次，創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)類(lèi)：java view plain copypublic class MailSender implements Sender Override public void Send() System.out.println(this is mailsender!); java view plain copypublic class SmsSender implements Sender Override public void Send() System.out.println(this is sms sender!); 最后，建工廠類(lèi)：java view plain copypublic 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(請(qǐng)輸入正確的類(lèi)型!); return null; 我們來(lái)測(cè)試下：java view plain copypublic class FactoryTest public static void main(String args) SendFactory factory = new SendFactory(); Sender sender = duce(sms); sender.Send(); 輸出：this is sms sender!22、多個(gè)工廠方法模式，是對(duì)普通工廠方法模式的改進(jìn)，在普通工廠方法模式中，如果傳遞的字符串出錯(cuò)，則不能正確創(chuàng)建對(duì)象，而多個(gè)工廠方法模式是提供多個(gè)工廠方法，分別創(chuàng)建對(duì)象。關(guān)系圖：將上面的代碼做下修改，改動(dòng)下SendFactory類(lèi)就行，如下：java view plain copypublic class SendFactory public Sender produceMail() return new MailSender(); public Sender produceSms() return new SmsSender(); 測(cè)試類(lèi)如下：java view plain copypublic class FactoryTest public static void main(String args) SendFactory factory = new SendFactory(); Sender sender = duceMail(); sender.Send(); 輸出：this is mailsender!33、靜態(tài)工廠方法模式，將上面的多個(gè)工廠方法模式里的方法置為靜態(tài)的，不需要?jiǎng)?chuàng)建實(shí)例，直接調(diào)用即可。java view plain copypublic class SendFactory public static Sender produceMail() return new MailSender(); public static Sender produceSms() return new SmsSender(); java view plain copypublic class FactoryTest public static void main(String args) Sender sender = SendFduceMail(); sender.Send(); 輸出：this is mailsender!總體來(lái)說(shuō)，工廠模式適合：凡是出現(xiàn)了大量的產(chǎn)品需要?jiǎng)?chuàng)建，并且具有共同的接口時(shí)，可以通過(guò)工廠方法模式進(jìn)行創(chuàng)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(chuàng)建對(duì)象，第三種相對(duì)于第二種，不需要實(shí)例化工廠類(lèi)，所以，大多數(shù)情況下，我們會(huì)選用第三種靜態(tài)工廠方法模式。2、抽象工廠模式（Abstract Factory）工廠方法模式有一個(gè)問(wèn)題就是，類(lèi)的創(chuàng)建依賴工廠類(lèi)，也就是說(shuō)，如果想要拓展程序，必須對(duì)工廠類(lèi)進(jìn)行修改，這違背了閉包原則，所以，從設(shè)計(jì)角度考慮，有一定的問(wèn)題，如何解決？就用到抽象工廠模式，創(chuàng)建多個(gè)工廠類(lèi)，這樣一旦需要增加新的功能，直接增加新的工廠類(lèi)就可以了，不需要修改之前的代碼。因?yàn)槌橄蠊S不太好理解，我們先看看圖，然后就和代碼，就比較容易理解。請(qǐng)看例子：java view plain copypublic interface Sender public void Send(); 兩個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)：java view plain copypublic class MailSender implements Sender Override public void Send() System.out.println(this is mailsender!); java view plain copypublic class SmsSender implements Sender Override public void Send() System.out.println(this is sms sender!); 兩個(gè)工廠類(lèi)：java view plain copypublic class SendMailFactory implements Provider Override public Sender produce() return new MailSender(); java view plain copypublic class SendSmsFactory implements Provider Override public Sender produce() return new SmsSender(); 在提供一個(gè)接口：java view plain copypublic interface Provider public Sender produce(); 測(cè)試類(lèi)：java view plain copypublic class Test public static void main(String args) Provider provider = new SendMailFactory(); Sender sender = duce(); sender.Send(); 其實(shí)這個(gè)模式的好處就是，如果你現(xiàn)在想增加一個(gè)功能：發(fā)及時(shí)信息，則只需做一個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)，實(shí)現(xiàn)Sender接口，同時(shí)做一個(gè)工廠類(lèi)，實(shí)現(xiàn)Provider接口，就OK了，無(wú)需去改動(dòng)現(xiàn)成的代碼。這樣做，拓展性較好！3、單例模式（Singleton）單例對(duì)象（Singleton）是一種常用的設(shè)計(jì)模式。在Java應(yīng)用中，單例對(duì)象能保證在一個(gè)JVM中，該對(duì)象只有一個(gè)實(shí)例存在。這樣的模式有幾個(gè)好處：1、某些類(lèi)創(chuàng)建比較頻繁，對(duì)于一些大型的對(duì)象，這是一筆很大的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。2、省去了new操作符，降低了系統(tǒng)內(nèi)存的使用頻率，減輕GC壓力。3、有些類(lèi)如交易所的核心交易引擎，控制著交易流程，如果該類(lèi)可以創(chuàng)建多個(gè)的話，系統(tǒng)完全亂了。（比如一個(gè)軍隊(duì)出現(xiàn)了多個(gè)司令員同時(shí)指揮，肯定會(huì)亂成一團(tuán)），所以只有使用單例模式，才能保證核心交易服務(wù)器獨(dú)立控制整個(gè)流程。首先我們寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的單例類(lèi)：java view plain copypublic class Singleton /* 持有私有靜態(tài)實(shí)例，防止被引用，此處賦值為null，目的是實(shí)現(xiàn)延遲加載 */ private static Singleton instance = null; /* 私有構(gòu)造方法，防止被實(shí)例化 */ private Singleton() /* 靜態(tài)工程方法，創(chuàng)建實(shí)例 */ public static Singleton getInstance() if (instance = null) instance = new Singleton(); return instance; /* 如果該對(duì)象被用于序列化，可以保證對(duì)象在序列化前后保持一致 */ public Object readResolve() return instance; 這個(gè)類(lèi)可以滿足基本要求，但是，像這樣毫無(wú)線程安全保護(hù)的類(lèi)，如果我們把它放入多線程的環(huán)境下，肯定就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題了，如何解決？我們首先會(huì)想到對(duì)getInstance方法加synchronized關(guān)鍵字，如下：java view plain copypublic static synchronized Singleton getInstance() if (instance = null) instance = new Singleton(); return instance; 但是，synchronized關(guān)鍵字鎖住的是這個(gè)對(duì)象，這樣的用法，在性能上會(huì)有所下降，因?yàn)槊看握{(diào)用getInstance()，都要對(duì)對(duì)象上鎖，事實(shí)上，只有在第一次創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)候需要加鎖，之后就不需要了，所以，這個(gè)地方需要改進(jìn)。我們改成下面這個(gè)：java view plain copypublic static Singleton getInstance() if (instance = null) synchronized (instance) if (instance = null) instance = new Singleton(); return instance; 似乎解決了之前提到的問(wèn)題，將synchronized關(guān)鍵字加在了內(nèi)部，也就是說(shuō)當(dāng)調(diào)用的時(shí)候是不需要加鎖的，只有在instance為null，并創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)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(wèn)題的，看下面的情況：在Java指令中創(chuàng)建對(duì)象和賦值操作是分開(kāi)進(jìn)行的，也就是說(shuō)instance = new Singleton();語(yǔ)句是分兩步執(zhí)行的。但是JVM并不保證這兩個(gè)操作的先后順序，也就是說(shuō)有可能JVM會(huì)為新的Singleton實(shí)例分配空間，然后直接賦值給instance成員，然后再去初始化這個(gè)Singleton實(shí)例。這樣就可能出錯(cuò)了，我們以A、B兩個(gè)線程為例：aA、B線程同時(shí)進(jìn)入了第一個(gè)if判斷bA首先進(jìn)入synchronized塊，由于instance為null，所以它執(zhí)行instance = new Singleton();c由于JVM內(nèi)部的優(yōu)化機(jī)制，JVM先畫(huà)出了一些分配給Singleton實(shí)例的空白內(nèi)存，并賦值給instance成員（注意此時(shí)JVM沒(méi)有開(kāi)始初始化這個(gè)實(shí)例），然后A離開(kāi)了synchronized塊。dB進(jìn)入synchronized塊，由于instance此時(shí)不是null，因此它馬上離開(kāi)了synchronized塊并將結(jié)果返回給調(diào)用該方法的程序。e此時(shí)B線程打算使用Singleton實(shí)例，卻發(fā)現(xiàn)它沒(méi)有被初始化，于是錯(cuò)誤發(fā)生了。所以程序還是有可能發(fā)生錯(cuò)誤，其實(shí)程序在運(yùn)行過(guò)程是很復(fù)雜的，從這點(diǎn)我們就可以看出，尤其是在寫(xiě)多線程環(huán)境下的程序更有難度，有挑戰(zhàn)性。我們對(duì)該程序做進(jìn)一步優(yōu)化：java view plain copyprivate static class SingletonFactory private static Singleton instance = new Singleton(); public static Singleton getInstance() return SingletonFactory.instance; 實(shí)際情況是，單例模式使用內(nèi)部類(lèi)來(lái)維護(hù)單例的實(shí)現(xiàn)，JVM內(nèi)部的機(jī)制能夠保證當(dāng)一個(gè)類(lèi)被加載的時(shí)候，這個(gè)類(lèi)的加載過(guò)程是線程互斥的。這樣當(dāng)我們第一次調(diào)用getInstance的時(shí)候，JVM能夠幫我們保證instance只被創(chuàng)建一次，并且會(huì)保證把賦值給instance的內(nèi)存初始化完畢，這樣我們就不用擔(dān)心上面的問(wèn)題。同時(shí)該方法也只會(huì)在第一次調(diào)用的時(shí)候使用互斥機(jī)制，這樣就解決了低性能問(wèn)題。這樣我們暫時(shí)總結(jié)一個(gè)完美的單例模式：java view plain copypublic class Singleton /* 私有構(gòu)造方法，防止被實(shí)例化 */ private Singleton() /* 此處使用一個(gè)內(nèi)部類(lèi)來(lái)維護(hù)單例 */ private static class SingletonFactory private static Singleton instance = new Singleton(); /* 獲取實(shí)例 */ public static Singleton getInstance() return SingletonFactory.instance; /* 如果該對(duì)象被用于序列化，可以保證對(duì)象在序列化前后保持一致 */ public Object readResolve() return getInstance(); 其實(shí)說(shuō)它完美，也不一定，如果在構(gòu)造函數(shù)中拋出異常，實(shí)例將永遠(yuǎn)得不到創(chuàng)建，也會(huì)出錯(cuò)。所以說(shuō)，十分完美的東西是沒(méi)有的，我們只能根據(jù)實(shí)際情況，選擇最適合自己應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)方法。也有人這樣實(shí)現(xiàn)：因?yàn)槲覀冎恍枰趧?chuàng)建類(lèi)的時(shí)候進(jìn)行同步，所以只要將創(chuàng)建和getInstance()分開(kāi)，單獨(dú)為創(chuàng)建加synchronized關(guān)鍵字，也是可以的：java ew plain copypublic 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; 考慮性能的話，整個(gè)程序只需創(chuàng)建一次實(shí)例，所以性能也不會(huì)有什么影響。補(bǔ)充：采用影子實(shí)例的辦法為單例對(duì)象的屬性同步更新java view plain copypublic 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(); 通過(guò)單例模式的學(xué)習(xí)告訴我們：1、單例模式理解起來(lái)簡(jiǎn)單，但是具體實(shí)現(xiàn)起來(lái)還是有一定的難度。2、synchronized關(guān)鍵字鎖定的是對(duì)象，在用的時(shí)候，一定要在恰當(dāng)?shù)牡胤绞褂茫ㄗ⒁庑枰褂面i的對(duì)象和過(guò)程，可能有的時(shí)候并不是整個(gè)對(duì)象及整個(gè)過(guò)程都需要鎖）。到這兒，單例模式基本已經(jīng)講完了，結(jié)尾處，筆者突然想到另一個(gè)問(wèn)題，就是采用類(lèi)的靜態(tài)方法，實(shí)現(xiàn)單例模式的效果，也是可行的，此處二者有什么不同？首先，靜態(tài)類(lèi)不能實(shí)現(xiàn)接口。（從類(lèi)的角度說(shuō)是可以的，但是那樣就破壞了靜態(tài)了。因?yàn)榻涌谥胁辉试S有static修飾的方法，所以即使實(shí)現(xiàn)了也是非靜態(tài)的）其次，單例可以被延遲初始化，靜態(tài)類(lèi)一般在第一次加載是初始化。之所以延遲加載，是因?yàn)橛行╊?lèi)比較龐大，所以延遲加載有助于提升性能。再次，單例類(lèi)可以被繼承，他的方法可以被覆寫(xiě)。但是靜態(tài)類(lèi)內(nèi)部方法都是static，無(wú)法被覆寫(xiě)。最后一點(diǎn)，單例類(lèi)比較靈活，畢竟從實(shí)現(xiàn)上只是一個(gè)普通的Java類(lèi)，只要滿足單例的基本需求，你可以在里面隨心所欲的實(shí)現(xiàn)一些其它功能，但是靜態(tài)類(lèi)不行。從上面這些概括中，基本可以看出二者的區(qū)別，但是，從另一方面講，我們上面最后實(shí)現(xiàn)的那個(gè)單例模式，內(nèi)部就是用一個(gè)靜態(tài)類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以，二者有很大的關(guān)聯(lián)，只是我們考慮問(wèn)題的層面不同罷了。兩種思想的結(jié)合，才能造就出完美的解決方案，就像HashMap采用數(shù)組+鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)一樣，其實(shí)生活中很多事情都是這樣，單用不同的方法來(lái)處理問(wèn)題，總是有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，最完美的方法是，結(jié)合各個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)，才能最好的解決問(wèn)題！4、建造者模式（Builder）工廠類(lèi)模式提供的是創(chuàng)建單個(gè)類(lèi)的模式，而建造者模式則是將各種產(chǎn)品集中起來(lái)進(jìn)行管理，用來(lái)創(chuàng)建復(fù)合對(duì)象，所謂復(fù)合對(duì)象就是指某個(gè)類(lèi)具有不同的屬性，其實(shí)建造者模式就是前面抽象工廠模式和最后的Test結(jié)合起來(lái)得到的。我們看一下代碼：還和前面一樣，一個(gè)Sender接口，兩個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)MailSender和SmsSender。最后，建造者類(lèi)如下：java view plain copypublic class Builder private List list = new ArrayList(); public void produceMailSender(int count) for(int i=0; icount; i+) list.add(new MailSender(); public void produceSmsSender(int count) for(int i=0; icount; i+) list.add(new SmsSender(); 測(cè)試類(lèi)：java view plain copypublic class Test public static void main(String args) Builder builder = new Builder(); duceMailSender(10); 從這點(diǎn)看出，建造者模式將很多功能集成到一個(gè)類(lèi)里，這個(gè)類(lèi)可以創(chuàng)造出比較復(fù)雜的東西。所以與工程模式的區(qū)別就是：工廠模式關(guān)注的是創(chuàng)建單個(gè)產(chǎn)品，而建造者模式則關(guān)注創(chuàng)建符合對(duì)象，多個(gè)部分。因此，是選擇工廠模式還是建造者模式，依實(shí)際情況而定。5、原型模式（Prototype）原型模式雖然是創(chuàng)建型的模式，但是與工程模式?jīng)]有關(guān)系，從名字即可看出，該模式的思想就是將一個(gè)對(duì)象作為原型，對(duì)其進(jìn)行復(fù)制、克隆，產(chǎn)生一個(gè)和原對(duì)象類(lèi)似的新對(duì)象。本小結(jié)會(huì)通過(guò)對(duì)象的復(fù)制，進(jìn)行講解。在Java中，復(fù)制對(duì)象是通過(guò)clone()實(shí)現(xiàn)的，先創(chuàng)建一個(gè)原型類(lèi)：java view plain copypublic class Prototype implements Cloneable public Object clone() throws CloneNotSupportedException Prototype proto = (Prototype) super.clone(); return proto; 很簡(jiǎn)單，一個(gè)原型類(lèi)，只需要實(shí)現(xiàn)Cloneable接口，覆寫(xiě)clone方法，此處clone方法可以改成任意的名稱，因?yàn)镃loneable接口是個(gè)空接口，你可以任意定義實(shí)現(xiàn)類(lèi)的方法名，如cloneA或者cloneB，因?yàn)榇颂幍闹攸c(diǎn)是super.clone()這句話，super.clone()調(diào)用的是Object的clone()方法，而在Object類(lèi)中，clone()是native的，具體怎么實(shí)現(xiàn)，我會(huì)在另一篇文章中，關(guān)于解讀Java中本地方法的調(diào)用，此處不再深究。在這兒，我將結(jié)合對(duì)象的淺復(fù)制和深復(fù)制來(lái)說(shuō)一下，首先需要了解對(duì)象深、淺復(fù)制的概念：淺復(fù)制：將一個(gè)對(duì)象復(fù)制后，基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量都會(huì)重新創(chuàng)建，而引用類(lèi)型，指向的還是原對(duì)象所指向的。深復(fù)制：將一個(gè)對(duì)象復(fù)制后，不論是基本數(shù)據(jù)類(lèi)型還有引用類(lèi)型，都是