设计模式 2

—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!

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23 种模式 java 实现源码下载地址 http://pan.baidu.com/share/link?shareid=372668&uk=4076915866#dir/path=%2F%E5%AD%A6%E4%B9%A0%E6%96%87%E4%BB%B6

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:

[java] view plaincopy

  1. public interface Sender {
  2. public void Send();
  3. }

其次,创建实现类:

[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. @Override

  3. public void Send() {

  4. System.out.println(“this is sms sender!”);
  5. }
  6. }

最后,建工厂类:

[java] view plaincopy

  1. public class SendFactory {

  2. public Sender produce(String type) {

  3. if (“mail”.equals(type)) {

  4. return new MailSender();
  5. } else if (“sms”.equals(type)) {
  6. return new SmsSender();
  7. } else {
  8. System.out.println(“请输入正确的类型!”);
  9. return null;
  10. }
  11. }
  12. }

我们来测试下:

  1. public class FactoryTest {

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

  3. SendFactory factory = new SendFactory();

  4. Sender sender = factory.produce(“sms”);
  5. sender.Send();
  6. }
  7. }

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:

[java] view plaincopypublic class SendFactory {

public Sender produceMail(){

  1. return new MailSender();
  2. }
  3. public Sender produceSms(){

  4. return new SmsSender();

  5. }
  6. }

测试类如下:

[java] view plaincopy

  1. public class FactoryTest {

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

  3. SendFactory factory = new SendFactory();

  4. Sender sender = factory.produceMail();
  5. sender.Send();
  6. }
  7. }

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。

[java] view plaincopy

  1. public class SendFactory {

  2. public static Sender produceMail(){

  3. return new MailSender();

  4. }
  5. public static Sender produceSms(){

  6. return new SmsSender();

  7. }
  8. }

[java] view plaincopy

  1. public class FactoryTest {

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

  3. Sender sender = SendFactory.produceMail();

  4. sender.Send();
  5. }
  6. }

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:

[java] view plaincopy

  1. public interface Sender {
  2. public void Send();
  3. }

两个实现类:

[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. @Override

  3. public void Send() {

  4. System.out.println(“this is sms sender!”);
  5. }
  6. }

两个工厂类:

[java] view plaincopy

  1. public class SendMailFactory implements Provider {

  2. @Override

  3. public Sender produce(){

  4. return new MailSender();
  5. }
  6. }

[java] view plaincopy

  1. public class SendSmsFactory implements Provider{

  2. @Override

  3. public Sender produce() {

  4. return new SmsSender();
  5. }
  6. }

在提供一个接口:

[java] view plaincopy

  1. public interface Provider {
  2. public Sender produce();
  3. }

测试类:

[java] view plaincopy

  1. public class Test {

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

  3. Provider provider = new SendMailFactory();

  4. Sender sender = provider.produce();
  5. sender.Send();
  6. }
  7. }

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:

[java] view plaincopy

  1. public class Singleton {

  2. / 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 /

  3. private static Singleton instance = null;

  4. / 私有构造方法,防止被实例化 /

  5. private Singleton() {

  6. }
  7. / 静态工程方法,创建实例 /

  8. public static Singleton getInstance() {

  9. if (instance == null) {
  10. instance = new Singleton();
  11. }
  12. return instance;
  13. }
  14. / 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 /

  15. public Object readResolve() {

  16. return instance;
  17. }
  18. }

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:

[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 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:

[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:

[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. }

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:

[java] view plaincopy

  1. public class Singleton {

  2. / 私有构造方法,防止被实例化 /

  3. private Singleton() {

  4. }
  5. / 此处使用一个内部类来维护单例 /

  6. private static class SingletonFactory {

  7. private static Singleton instance = new Singleton();
  8. }
  9. / 获取实例 /

  10. public static Singleton getInstance() {

  11. return SingletonFactory.instance;
  12. }
  13. / 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 /

  14. public Object readResolve() {

  15. return getInstance();
  16. }
  17. }

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:

[java] view plaincopy

  1. public class SingletonTest {

  2. private static SingletonTest instance = null;

  3. private SingletonTest() {

  4. }

  5. private static synchronized void syncInit() {

  6. if (instance == null) {

  7. instance = new SingletonTest();
  8. }
  9. }
  10. public static SingletonTest getInstance() {

  11. if (instance == null) {

  12. syncInit();
  13. }
  14. return instance;
  15. }
  16. }

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。