Java之23种设计模式解析

一、设计模式概述

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。
具体如下：
其中创建型有：
一、Singleton，单例模式：保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点
二、Abstract  Factory，抽象工厂：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无须指定它们的具体类。
三、 Factory Method，工厂方法：定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类，Factory Method 使一个类的实例化延迟到了子类。
四、Builder，建造模式：将一个复杂对象的构建与他的表示相分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
五、Prototype，原型模式：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型来创建新的对象。
行为型有：
六、Iterator，迭代器模式：提供一个方法顺序访问一个聚合对象的各个元素，而又不需要暴露该对象的内部表示。
七、Observer，观察者模式：定义对象间一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知自动更新。
八、Template Method，模板方法：定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中， TemplateMethod 使得子类可以不改变一个算法的结构即可以重定义该算法得某些特定步骤。
九、Command，命令模式：将一个请求封装为一个对象，从而使你可以用不同的请求对客户进行参数化，对请求排队和记录请求日志，以及支持可撤销的操作。
十、State，状态模式：允许对象在其内部状态改变时改变他的行为。对象看起来似乎改变了他的类。
十一、Strategy，策略模式：定义一系列的算法，把他们一个个封装起来，并使他们可以互相替换，本模式使得算法可以独立于使用它们的客户。
十二、China of Responsibility，职责链模式：使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发者和接收者之间的耦合关系
十三、Mediator，中介者模式：用一个中介对象封装一些列的对象交互。
十四、Visitor，访问者模式：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作，它使你可以在不改各元素类的前提下定义作用于这个元素的新操作。 

十五、 Interpreter，解释器模式：给定一个语言，定义他的文法的一个表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。
十六、Memento，备忘录模式：在不破坏对象的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。
结构型有：
十七、 Composite，组合模式：将对象组合成树形结构以表示部分整体的关系， Composite使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。
十八、Facade，外观模式：为子系统中的一组接口提供一致的界面，fa?ade 提供了一高层接口，这个接口使得子系统更容易使用。
十九、Proxy，代理模式：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问
二十、Adapter,适配器模式：将一类的接口转换成客户希望的另外一个接口，Adapter模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作那些类可以一起工作。
二十一、Decrator，装饰模式：动态地给一个对象增加一些额外的职责，就增加的功能来说，Decorator 模式相比生成子类更加灵活。
二十二、Bridge，桥模式：将抽象部分与它的实现部分相分离，使他们可以独立的变化。
二十三、Flyweight，享元模式
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

总原则：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，而是要扩展原有代码，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等，后面的具体设计中我们会提到这点。
1、单一职责原则
不要存在多于一个导致类变更的原因，也就是说每个类应该实现单一的职责，如若不然，就应该把类拆分。
2、里氏替换原则（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.历史替换原则中，子类对父类的方法尽量不要重写和重载。因为父类代表了定义好的结构，通过这个规范的接口与外界交互，子类不应该随便破坏它。
3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）
这个是开闭原则的基础，具体内容：面向接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。写代码时用到具体类时，不与具体类交互，而与具体类的上层接口交互。
4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）
这个原则的意思是：每个接口中不存在子类用不到却必须实现的方法，如果不然，就要将接口分。使用多个隔离的接口，比使用单个接口（多个接口方法集合到一个的接口）要好。
5、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）

就是说：一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说无论被依赖的类多么复杂，都应该将逻辑封装在方法的内部，通过 public 方法提供给外部。这样当被依赖的类变化时，才能最小的影响该类。最少知道原则的另一个表达方式是：只与直接的朋友通信。类之间只要有耦合关系，就叫朋友关系。耦合分为依赖、关联、聚合、组合等。我们称出现为成员变量、方法参数、方法返回值中的类为直接朋友。局部变量、临时变量则不是直接的朋友。我们要求陌生的类不要作为局部变量出现在类中。
6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）
原则是尽量首先使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

三、Java 的 23 中设计模式
A、创建模式
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。
首先，简单工厂模式不属于 23 中涉及模式，简单工厂一般分为：普通简单工厂、多方法简单工厂、静态方法简单工厂。

0、简单工厂模式
简单工厂模式模式分为三种：
01、普通
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：

public interface Sender {  
      public void Send();  
 }

其次，创建实现类：

public class MailSender implements Sender {  
      @Override  
      public void Send() {  
          System.out.println("this is mailsender!");  
      }  
 }

public class SmsSender implements Sender {  
      @Override  
      public void Send() {  
          System.out.println("this is sms sender!");  
      }  
}

最后，建工厂类：

 public 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("请输入正确的类型!");  
              return null;  
          }  
      }  
 }

我们来测试下：

 public class FactoryTest {  
      public static void main(String[] args) {  
         SendFactory factory = new SendFactory();  
         Sender sender = factory.produce("sms");  
          sender.Send();  
      }  
}

输出：this is sms sender!

02、多个方法
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：

public class SendFactory { 
      public Sender produceMail(){  
          return new MailSender();  
      }  
      public Sender produceSms(){  
          return new SmsSender();  
      }  
}

测试类如下：

public class FactoryTest {  
      public static void main(String[] args) {  
          SendFactory factory = new SendFactory();  
          Sender sender = factory.produceMail();  
          sender.Send();  
      }  
}

输出：this is mailsender!
03、多个静态方法
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。

public class SendFactory {  
      public static Sender produceMail(){  
          return new MailSender();  
      }  
      public static Sender produceSms(){  
          return new SmsSender();  
      }  
}

public class FactoryTest {  
      public static void main(String[] args) {      
          Sender sender = SendFactory.produceMail();  
          sender.Send();  
      }  
 }

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。
1、工厂方法模式（Factory Method）
简单工厂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？就用到工厂方法模式，创建一个工厂接口和创建多个工厂实现类，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。

请看例子：

public interface Sender {  
      public void Send();  
}

两个实现类：

public class MailSender implements Sender {  
      @Override  
      public void Send() {  
          System.out.println("this is mailsender!");  
      }  
}

public class SmsSender implements Sender {  
      @Override  
      public void Send() {  
          System.out.println("this is sms sender!");  
      }  
}

两个工厂类：

public class SendMailFactory implements Provider {
      @Override  
      public Sender produce(){  
          return new MailSender();  
      }  
}

public class SendSmsFactory implements Provider{  
      @Override  
      public Sender produce() {  
          return new SmsSender();  
      }  
}

在提供一个接口：

public interface Provider {  
      public Sender produce();  
}

测试类：

public class Test {  
      public static void main(String[] args) {  
          Provider provider = new SendMailFactory();  
          Sender sender = provider.produce();  
          sender.Send();  
      }  
}

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！
2、抽象工厂模式
工厂方法模式和抽象工厂模式不好分清楚，他们的区别如下：
工厂方法模式：
一个抽象产品类，可以派生出多个具体产品类.

一个抽象工厂类，可以派生出多个具体工厂类。
每个具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例。
抽象工厂模式：
多个抽象产品类，每个抽象产品类可以派生出多个具体产品类。
一个抽象工厂类，可以派生出多个具体工厂类。
每个具体工厂类可以创建多个具体产品类的实例，也就是创建的是一个产品线下的多个产品。
区别：
工厂方法模式只有一个抽象产品类，而抽象工厂模式有多个。
工厂方法模式的具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例，而抽象工厂模式可以创建多个。
工厂方法创建  "一种"  产品，他的着重点在于"怎么创建"，也就是说如果你开发，你的大量代码很可能围绕着这种产品的构造，初始化这些细节上面。也因为如此，类似的产品之间有很多可以复用的特征，所以会和模版方法相随。
抽象工厂需要创建一些列产品，着重点在于"创建哪些"产品上，也就是说，如果你开发，你的主要任务是划分不同差异的产品线，并且尽量保持每条产品线接口一致，从而可以从同一个抽象工厂继承。
对于 java 来说，你能见到的大部分抽象工厂模式都是这样的：
---它的里面是一堆工厂方法，每个工厂方法返回某种类型的对象。
比如说工厂可以生产鼠标和键盘。那么抽象工厂的实现类（它的某个具体子类）的对象都可以生产鼠标和键盘，但可能工厂 A 生产的是罗技的键盘和鼠标，工厂 B 是微软的。
这样 A 和 B 就是工厂，对应于抽象工厂；
每个工厂生产的鼠标和键盘就是产品，对应于工厂方法；

用了工厂方法模式，你替换生成键盘的工厂方法，就可以把键盘从罗技换到微软。但是用了抽象工厂模式，你只要换家工厂，就可以同时替换鼠标和键盘一套。如果你要的产品有几十个，当然用抽象工厂模式一次替换全部最方便（这个工厂会替你用相应的工厂方法）
所以说抽象工厂就像工厂，而工厂方法则像是工厂的一种产品生产线
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：

public class Singleton {  
      /* 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 */  
      private static Singleton instance = null;  
      /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
      private Singleton() {  
      }  
      /* 静态工程方法，创建实例 */  
      public static Singleton getInstance() {  
          if (instance == null) {  
              instance = new Singleton();  
          }  
          return instance;  
      }  
      /* 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 */    
     public Object readResolve() {  
          return instance;  
      }  
}

 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：

public static synchronized Singleton getInstance() {  
          if (instance == null) {  
              instance = new Singleton();  
          }  
          return instance;  
}

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：

 public static Singleton getInstance() {  
          if (instance == null) {  
              synchronized (instance) {  
                  if (instance == null) {  
                      instance = new Singleton();  
                  }  
              }  
          }  
          return instance;  
  }

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：

private static class SingletonFactory{           
          private static Singleton instance = new Singleton();           
      }           
      public static Singleton getInstance(){           
          return SingletonFactory.instance;           
 }

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：

public class Singleton {  
      /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
      private Singleton() {  
      }  
      /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
      private static class SingletonFactory {  
          private static Singleton instance = new Singleton();  
      }  
      /* 获取实例 */  
      public static Singleton getInstance() {  
          return SingletonFactory.instance;  
      }  
    
      /* 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 */  
      public Object readResolve() {  
          return getInstance();  
      }  
}

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：

public 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。
补充：采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新

public 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();  
      }  
 }

通过单例模式的学习告诉我们：
1、单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。
2、synchronized 关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁）。
到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？
首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有 static 修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）
其次，单例可以被延迟初始化， 静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。
再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是 static，无法被覆写。
最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的 Java 类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像 HashMap 采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的优点，才能最好的解决问题！
4、建造者模式（Builder）

5、原型模式（Prototype）
原型模式虽然是创建型的模式，但是与工程模式没有关系，从名字即可看出，该模式的思想就是将一个对象作为原型，对其进行复制、克隆，产生一个和原对象类似的新对象。本小结会通过对象的复制，进行讲解。在 Java 中，复制对象是通过 clone()实现的，先创建一个原型类：

public class Prototype implements Cloneable {  
      public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
          Prototype proto = (Prototype) super.clone();  
          return proto;  
      }  
 }

很简单，一个原型类，只需要实现 Cloneable 接口，覆写 clone 方法，此处 clone 方法可以改成任意的名称，因为 Cloneable 接口是个空接口，你可以任意定义实现类的方法名，如 cloneA 或者 cloneB，因为此处的重点是 super.clone()这句话， super.clone()调用的是 Object 的 clone()方法，而在 Object 类中，clone()是 native 的，具体怎么实现，我会在另一篇文章中，关于解读 Java 中本地方法的调用，此处不再深究。在这儿，我将结合对象的浅复制和深复制来说一下，首先需要了解对象深、浅复制的概念：

浅复制：将一个对象复制后，基本数据类型的变量都会重新创建，而引用类型，指向的还是原对象所指向的。深复制：将一个对象复制后，不论是基本数据类型还有引用类型，都是重新创建的。简单来说，就是深复制进行了完全彻底的复制，而浅复制不彻底。
此处，写一个深浅复制的例子：

public class Prototype implements Cloneable, Serializable {  
      private static final long serialVersionUID = 1L;  
      private String string;  
    
      private SerializableObject obj;  
      /* 浅复制 */  
      public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
          Prototype proto = (Prototype) super.clone();  
          return proto;  
      } 
      /* 深复制 */  
      public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {  
    
          /* 写入当前对象的二进制流 */  
          ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();  
          ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);  
          oos.writeObject(this);  
    
          /* 读出二进制流产生的新对象 */  
          ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());  
          ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);  
          return ois.readObject();  
      }  
    
      public String getString() {  
          return string;  
      }  
    
      public void setString(String string) {  
          this.string = string;  
      }  
    
      public SerializableObject getObj() {  
          return obj;  
      }  
    
      public void setObj(SerializableObject obj) {  
          this.obj = obj;  
      }  
    
  }  
    
  class SerializableObject implements Serializable {  
      private static final long serialVersionUID = 1L;  
  }

要实现深复制，需要采用流的形式读入当前对象的二进制输入，再写出二进制数据对应的对象。