Java從菜鳥到高手之設(shè)計模式.doc

Java從菜鳥到高手之設(shè)計模式設(shè)計模式（Design pattern）是一套被反復(fù)使用、多數(shù)人知曉的、經(jīng)過分類編目的、代碼設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)。使用設(shè)計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。 毫無疑問，設(shè)計模式于己于他人于系統(tǒng)都是多贏的，設(shè)計模式使代碼編制真正工程化，設(shè)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(shè)計模式可以完美的解決很多問題，每種模式在現(xiàn)在中都有相應(yīng)的原理來與之對應(yīng)，每一個模式描述了一個在我們周圍不斷重復(fù)發(fā)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(yīng)用的原因。我會以理論與實踐相結(jié)合的方式來進(jìn)行本章的學(xué)習(xí)，希望廣大程序愛好者，學(xué)好設(shè)計模式，做一個優(yōu)秀的軟件工程師！一、設(shè)計模式的分類總體來說設(shè)計模式分為三大類：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、訪問者模式、中介者模式、解釋器模式。其實還有兩類：并發(fā)型模式和線程池模式。用一個圖片來整體描述一下：二、設(shè)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(kuò)展開放，對修改關(guān)閉。在程序需要進(jìn)行拓展的時候，不能去修改原有的代碼，實現(xiàn)一個熱插拔的效果。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。想要達(dá)到這樣的效果，我們需要使用接口和抽象類，后面的具體設(shè)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?qū)ο笤O(shè)計的基本原則之一。 里氏代換原則中說，任何基類可以出現(xiàn)的地方，子類一定可以出現(xiàn)。 LSP是繼承復(fù)用的基石，只有當(dāng)衍生類可以替換掉基類，軟件單位的功能不受到影響時，基類才能真正被復(fù)用，而衍生類也能夠在基類的基礎(chǔ)上增加新的行為。里氏代換原則是對“開-閉”原則的補(bǔ)充。實現(xiàn)“開-閉”原則的關(guān)鍵步驟就是抽象化。而基類與子類的繼承關(guān)系就是抽象化的具體實現(xiàn)，所以里氏代換原則是對實現(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）這個是開閉原則的基礎(chǔ)，具體內(nèi)容：真對接口編程，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(shè)計模式就是一個軟件的設(shè)計思想，從大型軟件架構(gòu)出發(fā)，為了升級和維護(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：一個實體應(yīng)當(dāng)盡量少的與其他實體之間發(fā)生相互作用，使得系統(tǒng)功能模塊相對獨立。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)計模式從這一塊開始，我們詳細(xì)介紹Java中23種設(shè)計模式的概念，應(yīng)用場景等情況，并結(jié)合他們的特點及設(shè)計模式的原則進(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，就是建立一個工廠類，對實現(xiàn)了同一接口的一些類進(jìn)行實例的創(chuàng)建。首先看下關(guān)系圖：舉例如下：（我們舉一個發(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)建實現(xiàn)類：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：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(請輸入正確的類型!); return null; 我們來測試下：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、多個工廠方法模式，是對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，則不能正確創(chuàng)建對象，而多個工廠方法模式是提供多個工廠方法，分別創(chuàng)建對象。關(guān)系圖：將上面的代碼做下修改，改動下SendFactory類就行，如下：java view plain copypublic class SendFactory public Sender produceMail() return new MailSender(); public Sender produceSms() return new SmsSender(); 測試類如下：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，將上面的多個工廠方法模式里的方法置為靜態(tài)的，不需要創(chuàng)建實例，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!總體來說，工廠模式適合：凡是出現(xiàn)了大量的產(chǎn)品需要創(chuàng)建，并且具有共同的接口時，可以通過工廠方法模式進(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)建對象，第三種相對于第二種，不需要實例化工廠類，所以，大多數(shù)情況下，我們會選用第三種靜態(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問題就是，類的創(chuàng)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(jìn)行修改，這違背了閉包原則，所以，從設(shè)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(chuàng)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。因為抽象工廠不太好理解，我們先看看圖，然后就和代碼，就比較容易理解。請看例子：java view plain copypublic interface Sender public void Send(); 兩個實現(xiàn)類：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!); 兩個工廠類：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(); 在提供一個接口：java view plain copypublic interface Provider public Sender produce(); 測試類：java view plain copypublic class Test public static void main(String args) Provider provider = new SendMailFactory(); Sender sender = duce(); sender.Send(); 其實這個模式的好處就是，如果你現(xiàn)在想增加一個功能：發(fā)及時信息，則只需做一個實現(xiàn)類，實現(xiàn)Sender接口，同時做一個工廠類，實現(xiàn)Provider接口，就OK了，無需去改動現(xiàn)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(shè)計模式。在Java應(yīng)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(chuàng)建比較頻繁，對于一些大型的對象，這是一筆很大的系統(tǒng)開銷。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、有些類如交易所的核心交易引擎，控制著交易流程，如果該類可以創(chuàng)建多個的話，系統(tǒng)完全亂了。（比如一個軍隊出現(xiàn)了多個司令員同時指揮，肯定會亂成一團(tuán)），所以只有使用單例模式，才能保證核心交易服務(wù)器獨立控制整個流程。首先我們寫一個簡單的單例類：java view plain copypublic class Singleton /* 持有私有靜態(tài)實例，防止被引用，此處賦值為null，目的是實現(xiàn)延遲加載 */ private static Singleton instance = null; /* 私有構(gòu)造方法，防止被實例化 */ private Singleton() /* 靜態(tài)工程方法，創(chuàng)建實例 */ public static Singleton getInstance() if (instance = null) instance = new Singleton(); return instance; /* 如果該對象被用于序列化，可以保證對象在序列化前后保持一致 */ public Object readResolve() return instance; 這個類可以滿足基本要求，但是，像這樣毫無線程安全保護(hù)的類，如果我們把它放入多線程的環(huán)境下，肯定就會出現(xiàn)問題了，如何解決？我們首先會想到對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)鍵字鎖住的是這個對象，這樣的用法，在性能上會有所下降，因為每次調(diào)用getInstance()，都要對對象上鎖，事實上，只有在第一次創(chuàng)建對象的時候需要加鎖，之后就不需要了，所以，這個地方需要改進(jìn)。我們改成下面這個：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題，將synchronized關(guān)鍵字加在了內(nèi)部，也就是說當(dāng)調(diào)用的時候是不需要加鎖的，只有在instance為null，并創(chuàng)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(chuàng)建對象和賦值操作是分開進(jìn)行的，也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執(zhí)行的。但是JVM并不保證這兩個操作的先后順序，也就是說有可能JVM會為新的Singleton實例分配空間，然后直接賦值給instance成員，然后再去初始化這個Singleton實例。這樣就可能出錯了，我們以A、B兩個線程為例：aA、B線程同時進(jìn)入了第一個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先畫出了一些分配給Singleton實例的空白內(nèi)存，并賦值給instance成員（注意此時JVM沒有開始初始化這個實例），然后A離開了synchronized塊。dB進(jìn)入synchronized塊，由于instance此時不是null，因此它馬上離開了synchronized塊并將結(jié)果返回給調(diào)用該方法的程序。e此時B線程打算使用Singleton實例，卻發(fā)現(xiàn)它沒有被初始化，于是錯誤發(fā)生了。所以程序還是有可能發(fā)生錯誤，其實程序在運行過程是很復(fù)雜的，從這點我們就可以看出，尤其是在寫多線程環(huán)境下的程序更有難度，有挑戰(zhàn)性。我們對該程序做進(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; 實際情況是，單例模式使用內(nèi)部類來維護(hù)單例的實現(xiàn)，JVM內(nèi)部的機(jī)制能夠保證當(dāng)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(dāng)我們第一次調(diào)用getInstance的時候，JVM能夠幫我們保證instance只被創(chuàng)建一次，并且會保證把賦值給instance的內(nèi)存初始化完畢，這樣我們就不用擔(dān)心上面的問題。同時該方法也只會在第一次調(diào)用的時候使用互斥機(jī)制，這樣就解決了低性能問題。這樣我們暫時總結(jié)一個完美的單例模式：java view plain copypublic class Singleton /* 私有構(gòu)造方法，防止被實例化 */ private Singleton() /* 此處使用一個內(nèi)部類來維護(hù)單例 */ private static class SingletonFactory private static Singleton instance = new Singleton(); /* 獲取實例 */ public static Singleton getInstance() return SingletonFactory.instance; /* 如果該對象被用于序列化，可以保證對象在序列化前后保持一致 */ public Object readResolve() return getInstance(); 其實說它完美，也不一定，如果在構(gòu)造函數(shù)中拋出異常，實例將永遠(yuǎn)得不到創(chuàng)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(jù)實際情況，選擇最適合自己應(yīng)用場景的實現(xiàn)方法。也有人這樣實現(xiàn)：因為我們只需要在創(chuàng)建類的時候進(jìn)行同步，所以只要將創(chuàng)建和getInstance()分開，單獨為創(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，整個程序只需創(chuàng)建一次實例，所以性能也不會有什么影響。補(bǔ)充：采用影子實例的辦法為單例對象的屬性同步更新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(); 通過單例模式的學(xué)習(xí)告訴我們：1、單例模式理解起來簡單，但是具體實現(xiàn)起來還是有一定的難度。2、synchronized關(guān)鍵字鎖定的是對象，在用的時候，一定要在恰當(dāng)?shù)牡胤绞褂茫ㄗ⒁庑枰褂面i的對象和過程，可能有的時候并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(jīng)講完了，結(jié)尾處，筆者突然想到另一個問題，就是采用類的靜態(tài)方法，實現(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)類不能實現(xiàn)接口。（從類的角度說是可以的，但是那樣就破壞了靜態(tài)了。因為接口中不允許有static修飾的方法，所以即使實現(xiàn)了也是非靜態(tài)的）其次，單例可以被延遲初始化，靜態(tài)類一般在第一次加載是初始化。之所以延遲加載，是因為有些類比較龐大，所以延遲加載有助于提升性能。再次，單例類可以被繼承，他的方法可以被覆寫。但是靜態(tài)類內(nèi)部方法都是static，無法被覆寫。最后一點，單例類比較靈活，畢竟從實現(xiàn)上只是一個普通的Java類，只要滿足單例的基本需求，你可以在里面隨心所欲的實現(xiàn)一些其它功能，但是靜態(tài)類不行。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，我們上面最后實現(xiàn)的那個單例模式，內(nèi)部就是用一個靜態(tài)類來實現(xiàn)的，所以，二者有很大的關(guān)聯(lián)，只是我們考慮問題的層面不同罷了。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+鏈表來實現(xiàn)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(yōu)點也有缺點，最完美的方法是，結(jié)合各個方法的優(yōu)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(chuàng)建單個類的模式，而建造者模式則是將各種產(chǎn)品集中起來進(jìn)行管理，用來創(chuàng)建復(fù)合對象，所謂復(fù)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后的Test結(jié)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(xiàn)類MailSender和SmsSender。最后，建造者類如下：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(); 測試類：java view plain copypublic class Test public static void main(String args) Builder builder = new Builder(); duceMailSender(10); 從這點看出，建造者模式將很多功能集成到一個類里，這個類可以創(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)建單個產(chǎn)品，而建造者模式則關(guān)注創(chuàng)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(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對象作為原型，對其進(jìn)行復(fù)制、克隆，產(chǎn)生一個和原對象類似的新對象。本小結(jié)會通過對象的復(fù)制，進(jìn)行講解。在Java中，復(fù)制對象是通過clone()實現(xiàn)的，先創(chuàng)建一個原型類：java view plain copypublic class Prototype implements Cloneable public Object clone() throws CloneNotSupportedException Prototype proto = (Prototype) super.clone(); return proto; 很簡單，一個原型類，只需要實現(xiàn)Cloneable接口，覆寫clone方法，此處clone方法可以改成任意的名稱，因為Cloneable接口是個空接口，你可以任意定義實現(xiàn)類的方法名，如cloneA或者cloneB，因為此處的重點是super.clone()這句話，super.clone()調(diào)用的是Object的clone()方法，而在Object類中，clone()是native的，具體怎么實現(xiàn)，我會在另一篇文章中，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)合對象的淺復(fù)制和深復(fù)制來說一下，首先需要了解對象深、淺復(fù)制的概念：淺復(fù)制：將一個對象復(fù)制后，基本數(shù)據(jù)類型的變量都會重新創(chuàng)建，而引用類型，指向的還是原對象所指向的。深復(fù)制：將一個對象復(fù)制后，不論是基本數(shù)據(jù)類型還有引用類型，都是