一、设计原则
1.1 设计模式的目的
编写软件过程中,程序员面临着来自 耦合性,内聚性以及可维护性,可扩展性,重用性,灵活性 等多方面的挑战,设计模式是为了让程序(软件),具有更好的
1) 代码重用性 (即:相同功能的代码,不用多次编写)
2) 可读性 (即:编程规范性, 便于其他程序员的阅读和理解)
3) 可扩展性 (即:当需要增加新的功能时,非常的方便,称为可维护)
4) 可靠性 (即:当我们增加新的功能后,对原来的功能没有影响)
5) 使程序呈现高内聚,低耦合的特性
1.2 设计模式七大原则
设计模式原则,其实就是程序员在编程时,应当遵守的原则,也是各种设计模式的基础(即:设计模式为什么
这样设计的依据)
设计模式常用的七大原则有:
1) 单一职责原则对类来说的,即一个类应该只负责一项职责
2) 接口隔离原则客户端不应该依赖它不需要的接口,即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上
3) 依赖倒转(倒置)原则高层模块不应该依赖低层模块,二者都应该依赖其抽象,抽象不应该依赖细节,细节应该依赖抽象,依赖倒转(倒置)的中心思想是面向接口编程
4) 里氏替换原则继承实际上让两个类耦合性增强了,在适当的情况下,可以通过聚合,组合,依赖 来
解决问题。
5) 开闭原则当软件需要变化时,尽量通过扩展软件实体的行为来实现变化,而不是通过修改已有的代码来实现变化。
6) 迪米特法则即一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说,对于
被依赖的类不管多么复杂,都尽量将逻辑封装在类的内部。
7) 合成复用原则原则是尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承
1.3 设计原则核心思想
1) 找出应用中可能需要变化之处,把它们独立出来,不要和那些不需要变化的代码混在一起。
2) 针对接口编程,而不是针对实现编程。
3) 为了交互对象之间的松耦合设计而努力
二、设计模式
2.1 设计模式介绍
1) 设计模式是程序员在面对同类软件工程设计问题所总结出来的有用的经验,模式不是代码,而是某类问题的通
用解决方案,设计模式(Design pattern)代表了最佳的实践。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的
一段时间的试验和错误总结出来的。
2) 设计模式的本质提高 软件的维护性,通用性和扩展性,并降低软件的复杂度。
2.2 设计模式类型
设计模式分为三种类型,共 23 种
1) 创建型模式:单例模式、抽象工厂模式、原型模式、建造者模式、工厂模式。2) 结构型模式:适配器模式、桥接模式、装饰模式、组合模式、外观模式、享元模式、代理模式。
3) 行为型模式:模版方法模式、命令模式、访问者模式、迭代器模式、观察者模式、中介者模式、备忘录模式、
解释器模式(Interpreter 模式)、状态模式、策略模式、职责链模式(责任链模式)。注意:不同的书籍上对分类和名称略有差别
三、设计模式详解
单例设计模式
单例模式(Singleton Pattern)是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时==确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。
单例模式的主要有以下角色:
单例类。只能创建一个实例的类.
访问类。使用单例类
单例设计模式分类两种:
饿汉式:类加载就会导致该单实例对象被创建
懒汉式:类加载不会导致该单实例对象被创建,而是首次使用该对象时才会创建
饿汉式-方式1(静态变量方式)
/**
* 饿汉式
* 静态变量创建类的对象
*/
public class Singleton {
//私有构造方法
private Singleton() {}
//在成员位置创建该类的对象
private static Singleton instance = new Singleton();
//对外提供静态方法获取该对象
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
说明:
该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量,并创建Singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话,而一直没有使用就会造成内存的浪费。
饿汉式(静态代码块)
public class SingletonTest02 {
public static void main(String[] args) {
//测试
Singleton instance = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
System.out.println(instance == instance2); // true
System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
}
}
//饿汉式(静态变量)
class Singleton {
//1. 构造器私有化, 外部能 new
private Singleton() {
}
//2.本类内部创建对象实例
private static Singleton instance;
static { // 在静态代码块中,创建单例对象
instance = new Singleton();
}
//3. 提供一个公有的静态方法,返回实例对象
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
懒汉式-方式1(线程不安全)
/**
* 懒汉式
* 线程不安全
*/
public class Singleton {
//私有构造方法
private Singleton() {}
//在成员位置创建该类的对象
private static Singleton instance;
//对外提供静态方法获取该对象
public static Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
说明:
从上面代码我们可以看出该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量,并没有进行对象的赋值操作,那么什么时候赋值的呢?当调用getInstance()方法获取Singleton类的对象的时候才创建Singleton类的对象,这样就实现了懒加载的效果。但是,如果是多线程环境,会出现线程安全问题。
懒汉式-方式2(线程安全)
/**
* 懒汉式
* 线程安全
*/
public class Singleton {
//私有构造方法
private Singleton() {}
//在成员位置创建该类的对象
private static Singleton instance;
//对外提供静态方法获取该对象
public static synchronized Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
说明:
该方式也实现了懒加载效果,同时又解决了线程安全问题。但是在getInstance()方法上添加了synchronized关键字,导致该方法的执行效果特别低。从上面代码我们可以看出,其实就是在初始化instance的时候才会出现线程安全问题,一旦初始化完成就不存在了。
懒汉式-方式3(双重检查锁)
/**
* 双重检查方式
*/
public class Singleton {
//私有构造方法
private Singleton() {}
private static Singleton instance;
//对外提供静态方法获取该对象
public static Singleton getInstance() {
//第一次判断,如果instance不为null,不进入抢锁阶段,直接返回实例
if(instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
//抢到锁之后再次判断是否为null
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
双重检查锁模式是一种非常好的单例实现模式,解决了单例、性能、线程安全问题,上面的双重检测锁模式看上去完美无缺,其实是存在问题,在多线程的情况下,可能会出现空指针问题,出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。
要解决双重检查锁模式带来空指针异常的问题,只需要使用
volatile
关键字,volatile
关键字可以保证可见性和有序性。
/**
* 双重检查方式
*/
public class Singleton {
//私有构造方法
private Singleton() {}
private static volatile Singleton instance;
//对外提供静态方法获取该对象
public static Singleton getInstance() {
//第一次判断,如果instance不为null,不进入抢锁阶段,直接返回实际
if(instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
//抢到锁之后再次判断是否为空
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
静态内部类
public class SingletonTest07 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("使用静态内部类完成单例模式");
Singleton instance = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
System.out.println(instance == instance2); // true
System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
}
}
// 静态内部类完成, 推荐使用
class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
//构造器私有化
private Singleton() {}
//写一个静态内部类,该类中有一个静态属性 Singleton
private static class SingletonInstance {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
//提供一个静态的公有方法,直接返回 SingletonInstance.INSTANCE
public static synchronized Singleton getInstance() {
return SingletonInstance.INSTANCE;
}
}
这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化,而是在需要实例化时,调用 getInstance 方法,才
会装载 SingletonInstance 类,从而完成 Singleton 的实例化。
类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,所以在这里,JVM 帮助我们保证了线程的安全性,在类进行
初始化时,别的线程是无法进入的。
优点:避免了线程不安全,利用静态内部类特点实现延迟加载,效率高
枚举
public class SingletonTest08 {
public static void main(String[] args) {
Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
System.out.println(instance == instance2);
System.out.println(instance.hashCode());
System.out.println(instance2.hashCode());
instance.sayOK();
}
}
//使用枚举,可以实现单例, 推荐
enum Singleton {
INSTANCE; //属性
public void sayOK() {
System.out.println("ok~");
}
}
这借助 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题,而且还能防止反序列化重新创建
新的对象。
2) 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式
-
小结:
添加
volatile
关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例实现模式,能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题。
还有,这里的private static volatile Singleton singleton = null;中的volatile也必不可少,volatile关键字可以防止jvm指令重排优化,
在java内存模型中,volatile 关键字作用可以是保证可见性或者禁止指令重排。这里是因为 singleton = new Singleton() ,它并非是一个原子操作,事实上,在 JVM 中上述语句至少做了以下这 3 件事:
-
第一步是给 singleton 分配内存空间;
-
第二步开始调用 Singleton 的构造函数等,来初始化 singleton;
-
第三步,将 singleton 对象指向分配的内存空间(执行完这步 singleton 就不是 null 了)。
这里需要留意一下 1-2-3 的顺序,因为存在指令重排序的优化,也就是说第 2 步和第 3 步的顺序是不能保证的,最终的执行顺序,可能是 1-2-3,也有可能是 1-3-2。
如果是 1-3-2,那么在第 3 步执行完以后,singleton 就不是 null 了,可是这时第 2 步并没有执行,singleton 对象未完成初始化,它的属性的值可能不是我们所预期的值。假设此时线程 2 进入 getInstance 方法,由于 singleton 已经不是 null 了,所以会通过第一重检查并直接返回,但其实这时的 singleton 并没有完成初始化,所以使用这个实例的时候会报错,详细流程如下图所示:
在 JDK1.2 之前,Java的内存模型实现总是从主存(即共享内存)读取变量,是不需要进行特别的注意的。而在当前 的 Java 内存模型下,线程可以把变量保存本地内存(比如机器的寄存器)中,而不是直接在主存中进行读写。这就 可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值,而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝,造成数 据的不一致。 要解决这个问题,就需要把变量声明为 volatile,这就指示 JVM,这个变量是不稳定的,每次使用它都到主存中进行 读取。
单例模式优点和缺点
优点:单例类只有一个实例,节省了内存资源,对于一些需要频繁创建销毁的对象,使用单例模式可以提高系统性能;单例模式可以在系统设置全局的访问点,优化和共享数据,例如前面说的Web应用的页面计数器就可以用单例模式实现计数值的保存。
servlet:
缺点:单例模式一般没有接口,扩展的话除了修改代码基本上没有其他途径。
懒汉模式和饿汉模式区别
懒汉模式的优点便是在代码中没有使用的情况下,不会去加载单例类的资源不会造成资源的浪费。缺点也很明显,加锁同步会带来程序运行效率的损失。
饿汉模式的优缺点恰好与懒汉模式相反,如果明确知道单例对象在程序代码中用的很频繁,就可以考虑使用饿汉模式了
工厂模式
工厂模式将目的将创建对象的具体过程屏蔽隔离起来,从而达到更高的灵活性,工厂模式可以分为三类:
简单工厂模式(Simple Factory)
工厂方法模式(Factory Method)
抽象工厂模式(Abstract Factory)
简单工厂模式:
简单工厂模式的核心是定义一个创建对象的接口,将对象的创建和本身的业务逻辑分离,降低系统的耦合度,使得两个修改起来相对容易些,当以后实现改变时,只需要修改工厂类即可。
工厂类角色: 该模式的核心,用来创建产品,含有一定的商业逻辑和判断逻辑
抽象产品角色:它一般是具体产品继承的父类或者实现的接口。
具体产品角色:工厂类所创建的对象就是此角色的实例。在java中由一个具体类实现。
代码实现:
产品类:
abstract class BMW {
public BMW(){}
}
public class BMW320 extends BMW {
public BMW320() {
System.out.println("制造-->BMW320");
}
}
public class BMW523 extends BMW{
public BMW523(){
System.out.println("制造-->BMW523");
}
}
工厂类:
public class Factory {
public BMW createBMW(int type) {
switch (type) {
case 320:
return new BMW320();
case 523:
return new BMW523();
default:
break;
}
return null;
}
}
用户类:
public class Customer {
public static void main(String[] args) {
Factory factory = new Factory();
BMW bmw320 = factory.createBMW(320);
BMW bmw523 = factory.createBMW(523);
}
}
简单工厂模式的优缺点:
简单工厂模式提供专门的工厂类用于创建对象,实现了对象创建和使用的职责分离,客户端不需知道所创建的具体产品类的类名以及创建过程,只需知道具体产品类所对应的参数即可,通过引入配置文件,可以在不修改任何客户端代码的情况下更换和增加新的具体产品类,在一定程度上提高了系统的灵活性。
但缺点在于不符合“开闭原则”,每次添加新产品就需要修改工厂类。在产品类型较多时,有可能造成工厂逻辑过于复杂,不利于系统的扩展维护,并且工厂类集中了所有产品创建逻辑,一旦不能正常工作,整个系统都要受到影响。
为了解决简单工厂模式的问题,出现了工厂方法模式。
工厂方法模式
工厂方法模式将工厂抽象化,并定义一个创建对象的接口。每增加新产品,只需增加该产品以及对应的具体实现工厂类,由具体工厂类决定要实例化的产品是哪个,将对象的创建与实例化延迟到子类,这样工厂的设计就符合“开闭原则”了,扩展时不必去修改原来的代码。在使用时,用于只需知道产品对应的具体工厂,关注具体的创建过程,甚至不需要知道具体产品类的类名,当我们选择哪个具体工厂时,就已经决定了实际创建的产品是哪个了。
抽象工厂 AbstractFactory: 工厂方法模式的核心,是具体工厂角色必须实现的接口或者必须继承的父类,在 Java 中它由抽象类或者接口来实现。
具体工厂 Factory:被应用程序调用以创建具体产品的对象,含有和具体业务逻辑有关的代码 抽象产品 AbstractProduct:是具体产品继承的父类或实现的接口,在 Java 中一般有抽象类或者接口来实现。
具体产品 Product:具体工厂角色所创建的对象就是此角色的实例。
代码实现:
产品类:
abstract class BMW {
public BMW(){}
}
public class BMW320 extends BMW {
public BMW320() {
System.out.println("制造-->BMW320");
}
}
public class BMW523 extends BMW{
public BMW523(){
System.out.println("制造-->BMW523");
}
}
工厂类:
interface FactoryBMW {
BMW createBMW();
}
public class FactoryBMW320 implements FactoryBMW{
@Override
public BMW320 createBMW() {
return new BMW320();
}
}
public class FactoryBMW523 implements FactoryBMW {
@Override
public BMW523 createBMW() {
return new BMW523();
}
}
客户类:
public class Customer {
public static void main(String[] args) {
FactoryBMW320 factoryBMW320 = new FactoryBMW320();
BMW320 bmw320 = factoryBMW320.createBMW();
FactoryBMW523 factoryBMW523 = new FactoryBMW523();
BMW523 bmw523 = factoryBMW523.createBMW();
}
}
抽象工厂模式
在工厂方法模式中,我们使用一个工厂创建一个产品,一个具体工厂对应一个具体产品,但有时候我们需要一个工厂能够提供多个产品对象,而不是单一的对象,这个时候我们就需要使用抽象工厂模式。
抽象工厂模式主要用于创建相关对象的家族。当一个产品族中需要被设计在一起工作时,通过抽象工厂模式,能够保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象;并且通过隔离具体类的生成,使得客户端不需要明确指定具体生成类;所有的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的公共接口,因此只需要改变具体工厂的实例,就可以在某种程度上改变整个软件系统的行为。
但该模式的缺点在于添加新的行为时比较麻烦,如果需要添加一个新产品族对象时,需要更改接口及其下所有子类,这必然会带来很大的麻烦。
抽象工厂 AbstractFactory:定义了一个接口,这个接口包含了一组方法用来生产产品,所有的具体工厂都必须实现此接口。
具体工厂 ConcreteFactory:用于生产不同产品族,要创建一个产品,用户只需使用其中一个工厂进行获取,完全不需要实例化任何产品对象。
抽象产品 AbstractProduct:这是一个产品家族,每一个具体工厂都能够生产一整组产品。
具体产品 Product
通过抽象工厂模式,我们可以实现以下的效果:比如宝马320系列使用空调型号A和发动机型号A,而宝马230系列使用空调型号B和发动机型号B,在为320系列生产相关配件时,就无需制定配件的型号,它会自动根据车型生产对应的配件型号A。
也就是说,当每个抽象产品都有多于一个的具体子类的时候(空调有型号A和B两种,发动机也有型号A和B两种),工厂角色怎么知道实例化哪一个子类呢?抽象工厂模式提供两个具体工厂角色(宝马320系列工厂和宝马230系列工厂),分别对应于这两个具体产品角色,每一个具体工厂角色只负责某一个产品角色的实例化,每一个具体工厂类只负责创建抽象产品的某一个具体子类的实例。
代码实现:
产品类:
//发动机以及型号
public interface Engine {}
public class EngineA implements Engine{
public EngineA(){
System.out.println("制造-->EngineA");
}
}
public class EngineB implements Engine{
public EngineB(){
System.out.println("制造-->EngineB");
}
}
//空调以及型号
public interface Aircondition {}
public class AirconditionA implements Aircondition{
public AirconditionA(){
System.out.println("制造-->AirconditionA");
}
}
public class AirconditionB implements Aircondition{
public AirconditionB(){
System.out.println("制造-->AirconditionB");
}
}
创建工厂类:
//创建工厂的接口
public interface AbstractFactory {
//制造发动机
public Engine createEngine();
//制造空调
public Aircondition createAircondition();
}
//为宝马320系列生产配件
public class FactoryBMW320 implements AbstractFactory{
@Override
public Engine createEngine() {
return new EngineA();
}
@Override
public Aircondition createAircondition() {
return new AirconditionA();
}
}
//宝马523系列
public class FactoryBMW523 implements AbstractFactory {
@Override
public Engine createEngine() {
return new EngineB();
}
@Override
public Aircondition createAircondition() {
return new AirconditionB();
}
}
客户:
public class Customer {
public static void main(String[] args){
//生产宝马320系列配件
FactoryBMW320 factoryBMW320 = new FactoryBMW320();
factoryBMW320.createEngine();
factoryBMW320.createAircondition();
//生产宝马523系列配件
FactoryBMW523 factoryBMW523 = new FactoryBMW523();
factoryBMW523.createEngine();
factoryBMW523.createAircondition();
}
}
1、工厂方法模式与抽象工厂模式的区别在于:
(1)工厂方法只有一个抽象产品类和一个抽象工厂类,但可以派生出多个具体产品类和具体工厂类,每个具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例。
(2)抽象工厂模式拥有多个抽象产品类(产品族)和一个抽象工厂类,每个抽象产品类可以派生出多个具体产品类;抽象工厂类也可以派生出多个具体工厂类,同时每个具体工厂类可以创建多个具体产品类的实例
原型模式
原型模式(Prototype 模式)是指:用原型实例指定创建对象的种类,并且通过拷贝这些原型,创建新的对象
原型模式是一种创建型设计模式,允许一个对象再创建另外一个可定制的对象,无需知道如何创建的细节
工作原理是:通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象,这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建,即 对象.clone()
原型模式原理结构图-uml 类图
原理结构图说明
1) Prototype : 原型类,声明一个克隆自己的接口
2) ConcretePrototype: 具体的原型类, 实现一个克隆自己的操作
3) Client: 让一个原型对象克隆自己,从而创建一个新的对象(属性一样)
原型模式的注意事项和细节
1) 创建新的对象比较复杂时,可以利用原型模式简化对象的创建过程,同时也能够提高效率
2) 不用重新初始化对象,而是动态地获得对象运行时的状态
3) 如果原始对象发生变化(增加或者减少属性),其它克隆对象的也会发生相应的变化,无需修改代码
4) 在实现深克隆的时候可能需要比较复杂的代码
5) 缺点:需要为每一个类配备一个克隆方法,这对全新的类来说不是很难,但对已有的类进行改造时,需要修改
其源代码,违背了 ocp 原则,这点请同学们注意.
建造者模式
建造者模式(Builder Pattern) 又叫生成器模式,是一种对象构建模式。它可以将复杂对象的建过程抽象出来(抽象类别),使这个抽象过程的不同实现方法可以构造出不同表现(属性)的对象。
建造者模式 是一步一步创建一个复杂的对象,它允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们,用户不需要知道内部的具体构建细节。
建造者模式的四个角色
1) Product(产品角色): 一个具体的产品对象。
2) Builder(抽象建造者): 创建一个 Product 对象的各个部件指定的 接口/抽象类。
3) ConcreteBuilder(具体建造者): 实现接口,构建和装配各个部件。
4) Director(指挥者): 构建一个使用 Builder 接口的对象。它主要是用于创建一个复杂的对象。它主要有两个作用,一是:隔离了客户与对象的生产过程,二是:负责控制产品对象的生产过程。
建造者模式的注意事项和细节
标签:Singleton,java,--,模式,工厂,instance,对象,设计模式,public From: https://blog.csdn.net/z2331198564653/article/details/1403127601) 客户端(使用程序)不必知道产品内部组成的细节,将产品本身与产品的创建过程解耦,使得相同的创建过程可以创建不同的产品对象
2) 每一个具体建造者都相对独立,而与其他的具体建造者无关,因此可以很方便地替换具体建造者或增加新的具体建造者, 用户使用不同的具体建造者即可得到不同的产品对象
3) 可以更加精细地控制产品的创建过程 。将复杂产品的创建步骤分解在不同的方法中,使得创建过程更加清晰,也更方便使用程序来控制创建过程
4) 增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码,指挥者类针对抽象建造者类编程,系统扩展方便,符合 “开闭原则”
5) 建造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点,其组成部分相似,如果产品之间的差异性很大,则不适合使用建造者模式,因此其使用范围受到一定的限制。
6) 如果产品的内部变化复杂,可能会导致需要定义很多具体建造者类来实现这种变化,导致系统变得很庞大,因此在这种情况下,要考虑是否选择建造者模式.