JAVA设计模式简介及六种常见设计模式详解
一、什么是设计模式
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。简单说：
模式：在某些场景下，针对某类问题的某种通用的解决方案。
场景：项目所在的环境
问题：约束条件，项目目标等
解决方案：通用、可复用的设计，解决约束达到目标。
二、设计模式的六大原则
因为设计模式就是基于这些原则的实现，所以很有必要了解这些原则，下面主要对面向对象编程的几个原则进行简单介绍。
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。
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、设计模式的三个分类
创建型模式：对象实例化的模式，创建型模式用于解耦对象的实例化过程。
结构型模式：把类或对象结合在一起形成一个更大的结构。
行为型模式：类和对象如何交互，及划分责任和算法。
如下图所示：
四、各分类中模式的关键点
创建型模式
单例模式：某个类只能有一个实例，提供一个全局的访问点。
简单工厂：一个工厂类根据传入的参量决定创建出那一种产品类的实例。
工厂方法：定义一个创建对象的接口，让子类决定实例化那个类。
抽象工厂：创建相关或依赖对象的家族，而无需明确指定具体类。
建造者模式：封装一个复杂对象的构建过程，并可以按步骤构造。
原型模式：通过复制现有的实例来创建新的实例。
结构性模式
适配器模式：将一个类的方法接口转换成客户希望的另外一个接口。
组合模式：将对象组合成树形结构以表示“”部分-整体“”的层次结构。
装饰模式：动态的给对象添加新的功能。
代理模式：为其他对象提供一个代理以便控制这个对象的访问。
亨元（蝇量）模式：通过共享技术来有效的支持大量细粒度的对象。
外观模式：对外提供一个统一的方法，来访问子系统中的一群接口。
桥接模式：将抽象部分和它的实现部分分离，使它们都可以独立的变化。
行为型模式
模板模式：定义一个算法结构，而将一些步骤延迟到子类实现。
解释器模式：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器。
策略模式：定义一系列算法，把他们封装起来，并且使它们可以相互替换。
状态模式：允许一个对象在其对象内部状态改变时改变它的行为。
观察者模式：对象间的一对多的依赖关系。
备忘录模式：在不破坏封装的前提下，保持对象的内部状态。
中介者模式：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。
命令模式：将命令请求封装为一个对象，使得可以用不同的请求来进行参数化。
访问者模式：在不改变数据结构的前提下，增加作用于一组对象元素的新功能。
责任链模式：将请求的发送者和接收者解耦，使的多个对象都有处理这个请求的机会。
迭代器模式：一种遍历访问聚合对象中各个元素的方法，不暴露该对象的内部结构。
五、八种常见设计模式详解
1、单例模式
所谓的单例设计指的是一个类只允许产生一个实例化对象。
最好理解的一种设计模式，分为懒汉式和饿汉式。
1.1、饿汉式
——构造方法私有化，外部无法产生新的实例化对象，只能通过static方法取得实例化对象
class Singleton {
/**
* 在类的内部可以访问私有结构，所以可以在类的内部产生实例化对象
*/
private static Singleton instance = new Singleton();
/**
* private 声明构造
*/
private Singleton() {
}
/**
* 返回对象实例
*/
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
public void print() {
System.out.println("Hello Singleton...");
}
}
1.2、懒汉式
——当第一次去使用Singleton对象的时候才会为其产生实例化对象的操作
class Singleton {
/**
* 声明变量
*/
private static volatile Singleton singleton = null;
/**
* 私有构造方法
*/
private Singleton() {
}
/**
* 提供对外方法
* @return
*/
public static Singleton getInstance() {
// 还未实例化
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
public void print() {
System.out.println("Hello World");
}
}
当多个线程并发执行 getInstance 方法时，懒汉式会存在线程安全问题，所以用到了 synchronized 来实现线程的同步，当一个线程获得锁的时候其他线程就只能在外等待其执行完毕。而饿汉式则不存在线程安全的问题。
2、工厂设计模式
工厂模式分为工厂方法模式和抽象工厂模式。
工厂方法模式
工厂方法模式：
1. 工厂方法模式分为三种：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。
2. 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。
3. 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。
2.1、普通工厂模式
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。
interface Sender {
void Send();
}
class MailSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("This is mail sender...");
}
}
class SmsSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("This is sms sender...");
}
}
public class FactoryPattern {
public static void main(String[] args) {
Sender sender = produce("mail");
sender.Send();
}
public static Sender produce(String str) {
if ("mail".equals(str)) {
return new MailSender();
} else if ("sms".equals(str)) {
return new SmsSender();
} else {
System.out.println("输入错误...");
return null;
}
}
}
2.2、 多个工厂方法模式
该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。
interface Sender {
void Send();
}
class MailSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("This is mail sender...");
}
}
class SmsSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("This is sms sender...");
}
}
class SendFactory {
public Sender produceMail() {
return new MailSender();
}
public Sender produceSms() {
return new SmsSender();
}
}
public class FactoryPattern {
public static void main(String[] args) {
SendFactory factory = new SendFactory();
Sender sender = factory.produceMail();
sender.Send();
}
}
2.3、 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。
interface Sender {
void Send();
}
class MailSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("This is mail sender...");
}
}
class SmsSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("This is sms sender...");
}
}
class SendFactory {
public static Sender produceMail() {
return new MailSender();
}
public static Sender produceSms() {
return new SmsSender();
}
}
public class FactoryPattern {
public static void main(String[] args) {
Sender sender = SendFactory.produceMail();
sender.Send();
}
}
2.4、抽象工厂模式
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，如果想要扩展程序，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？
那么这就用到了抽象工厂模式，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。
interface Provider {
Sender produce();
}
interface Sender {
void Send();
}
class MailSender implements Sender {
public void Send() {
System.out.println("This is mail sender...");
}
}
class SmsSender implements Sender {
public void Send() {
System.out.println("This is sms sender...");
}
}
class SendMailFactory implements Provider {
public Sender produce() {
return new MailSender();
}
}
class SendSmsFactory implements Provider {
public Sender produce() {
return new SmsSender();
}
}
public class FactoryPattern {
public static void main(String[] args) {
Provider provider = new SendMailFactory();
Sender sender = provider.produce();
sender.Send();
}
}
3、 建造者模式
工厂类模式提供的是创建单个类的模式，而建造者模式则是将各种产品集中起来管理，用来创建复合对象，所谓复合对象就是指某个类具有不同的属性。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List; /**
* @Author: LiuWang
* @Created: 2018/8/6 17:47
*/ abstract class Builder {
/**
* 第一步：装CPU
*/
public abstract void buildCPU(); /**
* 第二步：装主板
*/
public abstract void buildMainBoard(); /**
* 第三步：装硬盘
*/
public abstract void buildHD(); /**
* 获得组装好的电脑
* @return
*/
public abstract Computer getComputer();
} /**
* 装机人员装机
*/
class Director {
public void Construct(Builder builder) {
builder.buildCPU();
builder.buildMainBoard();
builder.buildHD();
}
} /**
* 具体的装机人员
*/
class ConcreteBuilder extends Builder { Computer computer = new Computer(); @Override
public void buildCPU() {
computer.Add("装CPU");
} @Override
public void buildMainBoard() {
computer.Add("装主板");
} @Override
public void buildHD() {
computer.Add("装硬盘");
} @Override
public Computer getComputer() {
return computer;
}
} class Computer { /**
* 电脑组件集合
*/
private List<String> parts = new ArrayList<String>(); public void Add(String part) {
parts.add(part);
} public void print() {
for (int i = 0; i < parts.size(); i++) {
System.out.println("组件:" + parts.get(i) + "装好了...");
}
System.out.println("电脑组装完毕...");
}
} public class BuilderPattern { public static void main(String[] args) {
Director director = new Director();
Builder builder = new ConcreteBuilder();
director.Construct(builder);
Computer computer = builder.getComputer();
computer.print();
}
}
4、 适配器设计模式
适配器模式是将某个类的接口转换成客户端期望的另一个接口表示，目的是消除由于接口不匹配所造成的的类的兼容性问题。
主要分三类：类的适配器模式、对象的适配器模式、接口的适配器模式。
4.1、 类的适配器模式：
class Source {
public void method1() {
System.out.println("This is original method...");
}
}
interface Targetable {
/**
* 与原类中的方法相同
*/
public void method1();
/**
* 新类的方法
*/
public void method2();
}
class Adapter extends Source implements Targetable {
@Override
public void method2() {
System.out.println("This is the targetable method...");
}
}
public class AdapterPattern {
public static void main(String[] args) {
Targetable targetable = new Adapter();
targetable.method1();
targetable.method2();
}
}
4.2、 对象的适配器模式
基本思路和类的适配器模式相同，只是将Adapter 类作修改，这次不继承Source 类，而是持有Source 类的实例，以达到解决兼容性的问题。
class Source {
public void method1() {
System.out.println("This is original method...");
}
}
interface Targetable {
/**
* 与原类中的方法相同
*/
public void method1();
/**
* 新类的方法
*/
public void method2();
}
class Wrapper implements Targetable {
private Source source;
public Wrapper(Source source) {
super();
this.source = source;
}
@Override
public void method1() {
source.method1();
}
@Override
public void method2() {
System.out.println("This is the targetable method...");
}
}
public class AdapterPattern {
public static void main(String[] args) {
Source source = new Source();
Targetable targetable = new Wrapper(source);
targetable.method1();
targetable.method2();
}
}
4.3、 接口的适配器模式
接口的适配器是这样的：有时我们写的一个接口中有多个抽象方法，当我们写该接口的实现类时，必须实现该接口的所有方法，这明显有时比较浪费，因为并不是所有的方法都是我们需要的，有时只需要某一些，此处为了解决这个问题，我们引入了接口的适配器模式，借助于一个抽象类，该抽象类实现了该接口，实现了所有的方法，而我们不和原始的接口打交道，只和该抽象类取得联系，所以我们写一个类，继承该抽象类，重写我们需要的方法就行。
/**
* 定义端口接口，提供通信服务
*/
interface Port {
/**
* 远程SSH端口为22
*/
void SSH(); /**
* 网络端口为80
*/
void NET(); /**
* Tomcat容器端口为8080
*/
void Tomcat(); /**
* MySQL数据库端口为3306
*/
void MySQL();
} /**
* 定义抽象类实现端口接口，但是什么事情都不做
*/
abstract class Wrapper implements Port {
@Override
public void SSH() { } @Override
public void NET() { } @Override
public void Tomcat() { } @Override
public void MySQL() { }
} /**
* 提供聊天服务
* 需要网络功能
*/
class Chat extends Wrapper {
@Override
public void NET() {
System.out.println("Hello World...");
}
} /**
* 网站服务器
* 需要Tomcat容器，Mysql数据库，网络服务，远程服务
*/
class Server extends Wrapper {
@Override
public void SSH() {
System.out.println("Connect success...");
} @Override
public void NET() {
System.out.println("WWW...");
} @Override
public void Tomcat() {
System.out.println("Tomcat is running...");
} @Override
public void MySQL() {
System.out.println("MySQL is running...");
}
} public class AdapterPattern { private static Port chatPort = new Chat();
private static Port serverPort = new Server(); public static void main(String[] args) {
// 聊天服务
chatPort.NET(); // 服务器
serverPort.SSH();
serverPort.NET();
serverPort.Tomcat();
serverPort.MySQL();
}
}
顾名思义，装饰模式就是给一个对象增加一些新的功能，而且是动态的，要求装饰对象和被装饰对象实现同一个接口，装饰对象持有被装饰对象的实例。
interface Shape {
void draw();
}
/**
* 实现接口的实体类
*/
class Rectangle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Shape: Rectangle...");
}
}
class Circle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Shape: Circle...");
}
}
/**
* 创建实现了 Shape 接口的抽象装饰类。
*/
abstract class ShapeDecorator implements Shape {
protected Shape decoratedShape;
public ShapeDecorator(Shape decoratedShape) {
this.decoratedShape = decoratedShape;
}
@Override
public void draw() {
decoratedShape.draw();
}
}
/**
* 创建扩展自 ShapeDecorator 类的实体装饰类。
*/
class RedShapeDecorator extends ShapeDecorator {
public RedShapeDecorator(Shape decoratedShape) {
super(decoratedShape);
}
@Override
public void draw() {
decoratedShape.draw();
setRedBorder(decoratedShape);
}
private void setRedBorder(Shape decoratedShape) {
System.out.println("Border Color: Red");
}
}
/**
* 使用 RedShapeDecorator 来装饰 Shape 对象。
*/
public class DecoratorPattern {
public static void main(String[] args) {
Shape circle = new Circle();
Shape redCircle = new RedShapeDecorator(new Circle());
Shape redRectangle = new RedShapeDecorator(new Rectangle());
System.out.println("Circle with normal border");
circle.draw();
System.out.println("\nCircle of red border");
redCircle.draw();
System.out.println("\nRectangle of red border");
redRectangle.draw();
}
}
6、 策略模式
策略模式定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使他们可以相互替换，且算法的变化不会影响到使用算法的客户。需要设计一个接口，为一系列实现类提供统一的方法，多个实现类实现该接口，设计一个抽象类（可有可无，属于辅助类），提供辅助函数。策略模式的决定权在用户，系统本身提供不同算法的实现，新增或者删除算法，对各种算法做封装。因此，策略模式多用在算法决策系统中，外部用户只需要决定用哪个算法即可。
/**
* 抽象算法的策略类，定义所有支持的算法的公共接口
*/
abstract class Strategy {
/**
* 算法方法
*/
public abstract void AlgorithmInterface();
} /**
* 具体算法A
*/
class ConcreteStrategyA extends Strategy {
//算法A实现方法
@Override
public void AlgorithmInterface() {
System.out.println("算法A的实现");
}
} /**
* 具体算法B
*/
class ConcreteStrategyB extends Strategy {
/**
* 算法B实现方法
*/
@Override
public void AlgorithmInterface() {
System.out.println("算法B的实现");
}
} /**
* 具体算法C
*/
class ConcreteStrategyC extends Strategy {
@Override
public void AlgorithmInterface() {
System.out.println("算法C的实现");
}
} /**
* 上下文，维护一个对策略类对象的引用
*/
class Context {
Strategy strategy; public Context(Strategy strategy) {
this.strategy = strategy;
} public void contextInterface(){
strategy.AlgorithmInterface();
}
} /**
* 客户端代码：实现不同的策略
*/
public class StrategyPattern {
public static void main(String[] args) { Context context; context = new Context(new ConcreteStrategyA());
context.contextInterface(); context = new Context(new ConcreteStrategyB());
context.contextInterface(); context = new Context(new ConcreteStrategyC());
context.contextInterface();
}
}
7、 代理模式
代理模式指给一个对象提供一个代理对象，并由代理对象控制对原对象的引用。代理可以分为静态代理和动态代理。通过代理模式，可以利用代理对象为被代理对象添加额外的功能，以此来拓展被代理对象的功能。可以用于计算某个方法执行时间，在某个方法执行前后记录日志等操作。
7.1、 静态代理
静态代理需要我们写出代理类和被代理类，而且一个代理类和一个被代理类一一对应。代理类和被代理类需要实现同一个接口，通过聚合使得代理对象中有被代理对象的引用，以此实现代理对象控制被代理对象的目的。
/**
* 代理类和被代理类共同实现的接口
*/
interface IService { void service();
} /**
* 被代理类
*/
class Service implements IService{ @Override
public void service() {
System.out.println("被代理对象执行相关操作");
}
} /**
* 代理类
*/
class ProxyService implements IService{
/**
* 持有被代理对象的引用
*/
private IService service; /**
* 默认代理Service类
*/
public ProxyService() {
this.service = new Service();
} /**
* 也可以代理实现相同接口的其他类
* @param service
*/
public ProxyService(IService service) {
this.service = service;
} @Override
public void service() {
System.out.println("开始执行service()方法");
service.service();
System.out.println("service()方法执行完毕");
}
} //测试类
public class ProxyPattern { public static void main(String[] args) {
IService service = new Service();
//传入被代理类的对象
ProxyService proxyService = new ProxyService(service);
proxyService.service();
}
}
7.2、 动态代理
JDK 1.3 之后，Java通过java.lang.reflect包中的三个类Proxy、InvocationHandler、Method来支持动态代理。动态代理常用于有若干个被代理的对象，且为每个被代理对象添加的功能是相同的（例如在每个方法运行前后记录日志）。动态代理的代理类不需要我们编写，由Java自动产生代理类源代码并进行编译最后生成代理对象。
创建动态代理对象的步骤：
1）指明一系列的接口来创建一个代理对象
2）创建一个调用处理器（InvocationHandler）对象
3）将这个代理指定为某个其他对象的代理对象
4） 在调用处理器的invoke（）方法中采取代理，一方面将调用传递给真实对象，另一方面执行各种需要的操作
import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy; /**
* 代理类和被代理类共同实现的接口
*/
interface IService {
void service();
} class Service implements IService{ @Override
public void service() {
System.out.println("被代理对象执行相关操作");
}
} class ServiceInvocationHandler implements InvocationHandler { /**
* 被代理的对象
*/
private Object srcObject; public ServiceInvocationHandler(Object srcObject) {
this.srcObject = srcObject;
} @Override
public Object invoke(Object proxyObj, Method method, Object[] args) throws Throwable {
System.out.println("开始执行"+method.getName()+"方法");
//执行原对象的相关操作，容易忘记
Object returnObj = method.invoke(srcObject,args);
System.out.println(method.getName()+"方法执行完毕");
return returnObj;
}
} public class ProxyPattern {
public static void main(String[] args) {
IService service = new Service();
Class<? extends IService> clazz = service.getClass(); IService proxyService = (IService) Proxy.newProxyInstance(clazz.getClassLoader(),
clazz.getInterfaces(), new ServiceInvocationHandler(service));
proxyService.service();
}
}
8、模板方法模式
定义：定义了一个算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中，模版方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法的步骤。
需求：简单描述一下：本公司有程序猿、测试、HR、项目经理等人，下面使用模版方法模式，记录下所有人员的上班情况
模板方法模式中的三类角色：
1、具体方法(Concrete Method)
2、抽象方法(Abstract Method)
3、钩子方法(Hook Method)
// 具体方法
public final void workOneDay() {
Log.e("workOneDay", "-----------------work start----------------");
enterCompany();
work();
exitCompany();
Log.e("workOneDay", "-----------------work end----------------");
}
// 工作 抽象方法
public abstract void work();
// 钩子方法
public boolean isNeedPrintDate() {
return false;
}
private void exitCompany() {
if (isNeedPrintDate()) {
Log.e("exitCompany", "---" + new Date().toLocaleString() + "--->");
}
Log.e("exitCompany", name + "---离开公司");
}
/**
* 重写父类的此方法,使可以查看离开公司时间
*/
@Override
public boolean isNeedPrintDate() {
return true;
}
最后测试：
查看所有人员的工作情况：
QAWorker qaWorker = new QAWorker("测试人员");
qaWorker();
HRWorker hrWorker = new HRWorker("莉莉姐");
hrWorker.workOneDay();
...
查看程序猿离开公司的时间:
ITWorker itWorker = new ITWorker("jingbin");
itWorker.workOneDay();
参考：
https://www.cnblogs.com/pony1223/p/7608955.html
https://www.cnblogs.com/Diyo/p/11415588.html
https://blog.csdn.net/wmq880204/article/details/75106848
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