設計模式（Design Patterns）一、設計模式的分類總體來說設計模式分為三大類：創建型模式，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。結構型模式，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 ...

設計模式（Design Patterns）

一、設計模式的分類

總體來說設計模式分為三大類：

創建型模式，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。

結構型模式，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、責任鏈模式、命令模式、備忘錄模式、狀態模式、訪問者模式、中介者模式、解釋器模式。

其實還有兩類：併發型模式和線程池模式。用一個圖片來整體描述一下：

二、設計模式的六大原則

1、開閉原則（Open Close Principle）

開閉原則就是說對擴展開放，對修改關閉。在程式需要進行拓展的時候，不能去修改原有的代碼，實現一個熱插拔的效果。所以一句話概括就是：為了使程式的擴展性好，易於維護和升級。想要達到這樣的效果，我們需要使用介面和抽象類，後面的具體設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)面向對象設計的基本原則之一。里氏代換原則中說，任何基類可以出現的地方，子類一定可以出現。 LSP是繼承復用的基石，只有當衍生類可以替換掉基類，軟體單位的功能不受到影響時，基類才能真正被覆用，而衍生類也能夠在基類的基礎上增加新的行為。里氏代換原則是對“開-閉”原則的補充。實現“開-閉”原則的關鍵步驟就是抽象化。而基類與子類的繼承關係就是抽象化的具體實現，所以里氏代換原則是對實現抽象化的具體步驟的規範。—— From Baidu 百科

3、依賴倒轉原則（Dependence Inversion Principle）

這個是開閉原則的基礎，具體內容：真對介面編程，依賴於抽象而不依賴於具體。

4、介面隔離原則（Interface Segregation Principle）

這個原則的意思是：使用多個隔離的介面，比使用單個介面要好。還是一個降低類之間的耦合度的意思，從這兒我們看出，其實設計模式就是一個軟體的設計思想，從大型軟體架構出發，為了升級和維護方便。所以上文中多次出現：降低依賴，降低耦合。

5、迪米特法則（最少知道原則）（Demeter Principle）

為什麼叫最少知道原則，就是說：一個實體應當儘量少的與其他實體之間發生相互作用，使得系統功能模塊相對獨立。

6、合成復用原則（Composite Reuse Principle）

原則是儘量使用合成/聚合的方式，而不是使用繼承。

三、Java的23中設計模式

從這一塊開始，我們詳細介紹Java中23種設計模式的概念，應用場景等情況，並結合他們的特點及設計模式的原則進行分析。

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，對實現了同一介面的一些類進行實例的創建。首先看下關係圖：

舉例如下：（我們舉一個發送郵件和簡訊的例子）

首先，創建二者的共同介面：

public interface Sender {  
    public void Send();  
}

其次，創建實現類：

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

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1 public class SmsSender implements Sender {  
2   
3     @Override  
4     public void Send() {  
5         System.out.println("this is sms sender!");  
6     }  
7 }

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最後，建工廠類：

 1 public class SendFactory {  
 2   
 3     public Sender produce(String type) {  
 4         if ("mail".equals(type)) {  
 5             return new MailSender();  
 6         } else if ("sms".equals(type)) {  
 7             return new SmsSender();  
 8         } else {  
 9             System.out.println("請輸入正確的類型!");  
10             return null;  
11         }  
12     }  
13 }

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我們來測試下：

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

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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，在普通工廠方法模式中，如果傳遞的字元串出錯，則不能正確創建對象，而多個工廠方法模式是提供多個工廠方法，分別創建對象。關係圖：

將上面的代碼做下修改，改動下SendFactory類就行，如下：

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

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測試類如下：

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

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輸出：this is mailsender!

33、靜態工廠方法模式，將上面的多個工廠方法模式里的方法置為靜態的，不需要創建實例，直接調用即可。

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

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

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輸出：this is mailsender!

總體來說，工廠模式適合：凡是出現了大量的產品需要創建，並且具有共同的介面時，可以通過工廠方法模式進行創建。在以上的三種模式中，第一種如果傳入的字元串有誤，不能正確創建對象，第三種相對於第二種，不需要實例化工廠類，所以，大多數情況下，我們會選用第三種——靜態工廠方法模式。

2、抽象工廠模式（Abstract Factory）

工廠方法模式有一個問題就是，類的創建依賴工廠類，也就是說，如果想要拓展程式，必須對工廠類進行修改，這違背了閉包原則，所以，從設計角度考慮，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，然後就和代碼，就比較容易理解。

請看例子：

public interface Sender {  
    public void Send();  
}

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兩個實現類：

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

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

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兩個工廠類：

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

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

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在提供一個介面：

public interface Provider {  
    public Sender produce();  
}

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測試類：

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

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其實這個模式的好處就是，如果你現在想增加一個功能：發及時信息，則只需做一個實現類，實現Sender介面，同時做一個工廠類，實現Provider介面，就OK了，無需去改動現成的代碼。這樣做，拓展性較好！

3、單例模式（Singleton）

單例對象（Singleton）是一種常用的設計模式。在Java應用中，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、某些類創建比較頻繁，對於一些大型的對象，這是一筆很大的系統開銷。

2、省去了new操作符，降低了系統記憶體的使用頻率，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，如果該類可以創建多個的話，系統完全亂了。（比如一個軍隊出現了多個司令員同時指揮，肯定會亂成一團），所以只有使用單例模式，才能保證核心交易伺服器獨立控制整個流程。

首先我們寫一個簡單的單例類：

public class Singleton {  
  
    /* 持有私有靜態實例，防止被引用，此處賦值為null，目的是實現延遲載入 */  
    private static Singleton instance = null;  
  
    /* 私有構造方法，防止被實例化 */  
    private Singleton() {  
    }  
  
    /* 靜態工程方法，創建實例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
  
    /* 如果該對象被用於序列化，可以保證對象在序列化前後保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return instance;  
    }  
}

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這個類可以滿足基本要求，但是，像這樣毫無線程安全保護的類，如果我們把它放入多線程的環境下，肯定就會出現問題了，如何解決？我們首先會想到對getInstance方法加synchronized關鍵字，如下：

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

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但是，synchronized關鍵字鎖住的是這個對象，這樣的用法，在性能上會有所下降，因為每次調用getInstance()，都要對對象上鎖，事實上，只有在第一次創建對象的時候需要加鎖，之後就不需要了，所以，這個地方需要改進。我們改成下麵這個：

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

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似乎解決了之前提到的問題，將synchronized關鍵字加在了內部，也就是說當調用的時候是不需要加鎖的，只有在instance為null，並創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，看下麵的情況：在Java指令中創建對象和賦值操作是分開進行的，也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執行的。但是JVM並不保證這兩個操作的先後順序，也就是說有可能JVM會為新的Singleton實例分配空間，然後直接賦值給instance成員，然後再去初始化這個Singleton實例。這樣就可能出錯了，我們以A、B兩個線程為例：

a>A、B線程同時進入了第一個if判斷

b>A首先進入synchronized塊，由於instance為null，所以它執行instance = new Singleton();

c>由於JVM內部的優化機制，JVM先畫出了一些分配給Singleton實例的空白記憶體，並賦值給instance成員（註意此時JVM沒有開始初始化這個實例），然後A離開了synchronized塊。

d>B進入synchronized塊，由於instance此時不是null，因此它馬上離開了synchronized塊並將結果返回給調用該方法的程式。

e>此時B線程打算使用Singleton實例，卻發現它沒有被初始化，於是錯誤發生了。

所以程式還是有可能發生錯誤，其實程式在運行過程是很複雜的，從這點我們就可以看出，尤其是在寫多線程環境下的程式更有難度，有挑戰性。我們對該程式做進一步優化：

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

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實際情況是，單例模式使用內部類來維護單例的實現，JVM內部的機制能夠保證當一個類被載入的時候，這個類的載入過程是線程互斥的。這樣當我們第一次調用getInstance的時候，JVM能夠幫我們保證instance只被創建一次，並且會保證把賦值給instance的記憶體初始化完畢，這樣我們就不用擔心上面的問題。同時該方法也只會在第一次調用的時候使用互斥機制，這樣就解決了低性能問題。這樣我們暫時總結一個完美的單例模式：

public class Singleton {  
  
    /* 私有構造方法，防止被實例化 */  
    private Singleton() {  
    }  
  
    /* 此處使用一個內部類來維護單例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
    }  
  
    /* 獲取實例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  
  
    /* 如果該對象被用於序列化，可以保證對象在序列化前後保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}

View Code

其實說它完美，也不一定，如果在構造函數中拋出異常，實例將永遠得不到創建，也會出錯。所以說，十分完美的東西是沒有的，我們只能根據實際情況，選擇最適合自己應用場景的實現方法。也有人這樣實現：因為我們只需要在創建類的時候進行同步，所以只要將創建和getInstance()分開，單獨為創建加synchronized關鍵字，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;  
    }  
}

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考慮性能的話，整個程式只需創建一次實例，所以性能也不會有什麼影響。

補充：採用"影子實例"的辦法為單例對象的屬性同步更新

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();  
    }  
}

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通過單例模式的學習告訴我們：

1、單例模式理解起來簡單，但是具體實現起來還是有一定的難度。

2、synchronized關鍵字鎖定的是對象，在用的時候，一定要在恰當的地方使用（註意需要使用鎖的對象和過程，可能有的時候並不是整個對象及整個過程都需要鎖）。

到這兒，單例模式基本已經講完了，結尾處，筆者突然想到另一個問題，就是採用類的靜態方法，實現單例模式的效果，也是可行的，此處二者有什麼不同？

首先，靜態類不能實現介面。（從類的角度說是可以的，但是那樣就破壞了靜態了。因為介面中不允許有static修飾的方法，所以即使實現了也是非靜態的）

其次，單例可以被延遲初始化，靜態類一般在第一次載入是初始化。之所以延遲載入，是因為有些類比較龐大，所以延遲載入有助於提升性能。

再次，單例類可以被繼承，他的方法可以被覆寫。但是靜態類內部方法都是static，無法被覆寫。

最後一點，單例類比較靈活，畢竟從實現上只是一個普通的Java類，只要滿足單例的基本需求，你可以在裡面隨心所欲的實現一些其它功能，但是靜態類不行。從上面這些概括中，基本可以看出二者的區別，但是，從另一方面講，我們上面最後實現的那個單例模式，內部就是用一個靜態類來實現的，所以，二者有很大的關聯，只是我們考慮問題的層面不同罷了。兩種思想的結合，才能造就出完美的解決方案，就像HashMap採用數組+鏈表來實現一樣，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，總是有優點也有缺點，最完美的方法是，結合各個方法的優點，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建單個類的模式，而建造者模式則是將各種產品集中起來進行管理，用來創建複合對象，所謂複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後的Test結合起來得到的。我們看一下代碼：

還和前面一樣，一個Sender介面，兩個實現類MailSender和SmsSender。最後，建造者類如下：

public class Builder {  
      
    private List<Sender> list = new ArrayList<Sender>();  
      
    public void produceMailSender(int count){  
        for(int i=0; i<count; i++){  
            list.add(new MailSender());  
        }  
    }  
      
    public void produceSmsSender(int count){  
        for(int i=0; i<count; i++){  
            list.add(new SmsSender());  
        }  
    }  
}

View Code

測試類：

public class Test {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        Builder builder = new Builder();  
        builder.produceMailSender(10);  
    }  
}

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從這點看出，建造者模式將很多功能集成到一個類里，這個類可以創造出比較複雜的東西。所以與工程模式的區別就是：工廠模式關註的是創建單個產品，而建造者模式則關註創建符合對象，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）

原型模式雖然是創建型的模式，但是與工程模式沒有關係，從名字即可看出，該模式的思想就是將一個對象作為原型，對其進行複製、克隆，產生一個和原對象類似的新對象。本小結會通過對象的複製，進行講解。在Java中，複製對象是通過clone()實現的，先創建一個原型類：

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

View Code

很簡單，一個原型類，只需要實現Cloneable介面，覆寫clone方法，此處clone方法可以改成任意的名稱，因為Cloneable介面是個空介面，你可以任意定義實現類的方法名，如cloneA或者cloneB，因為此處的重點是super.clone()這句話，super.clone()調用的是Object的clone()方法，而在Object類中，clone()是native的，具體怎麼實現，我會在另一篇文章中，關於解讀Java中本地方法的調用，此處不再深究。在這兒，我將結合對象的淺複製和深複製來說一下，首先需要瞭解對象深、淺複製的概念：

淺複製：將一個對象複製後，基本數據類型的變數都會重新創建，而引用類型，指向的還是原對象所指向的。

深複製：將一個對象複製後，不論是基本數據類型還有引用類型，都是重新創建的。簡單來說，就是深複製進行了完全徹底的複製，而淺複製不徹底。

此處，寫一個深淺複製的例子：

public class Prototype implements Cloneable, Serializable {  
  
    private static final long serialVersionUID = 1L;  
    private String string;  
  
    private SerializableObject obj;  
  
    /* 淺複製 */  
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
        Prototype proto = (Prototype) super.clone();  
        return proto;  
    }  
  
    /* 深複製 */  
    public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {  
  
        /* 寫入當前對象的二進位流 */  
        ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();  
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);  
        oos.writeObject(this);  
  
        /* 讀出二進位流產生的新對象 */  
        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;  
}

View Code 要實現深複製，需要採用流的形式讀入當前對象的二進位輸入，再寫出二進位數據對應的對象。

我們接著討論設計模式，上篇文章我講完了5種創建型模式，這章開始，我將講下7種結構型模式：適配器模式、裝飾模式、代理模式、外觀模式、橋接模式、組合模式、享元模式。其中對象的適配器模式是各種模式的起源，我們看下麵的圖：

適配器模式將某個類的介面轉換成客戶端期望的另一個介面表示，目的是消除由於介面不匹配所造成的類的相容性問題。主要分為三類：類的適配器模式、對象的適配器模式、介面的適配器模式。首先，我們來看看類的適配器模式，先看類圖：

核心思想就是：有一個Source類，擁有一個方法，待適配，目標介面時Targetable，通過Adapter類，將Source的功能擴展到Targetable里，看代碼：

public class Source {  
  
    public void method1() {  
        System.out.println("this is original method!");  
    }  
}

View Code

public interface Targetable {  
  
    /* 與原類中的方法相同 */  
    public void method1();  
  
    /* 新類的方法 */  
    public void method2();  
}

View Code

public class Adapter extends Source implements Targetable {  
  
    @Override  
    public void method2() {  
        System.out.println("this is the targetable method!");  
    }  
}

View Code

Adapter類繼承Source類，實現Targetable介面，下麵是測試類：

public class AdapterTest {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        Targetable target = new Adapter();  
        target.method1();  
        target.method2();  
    }  
}

View Code

輸出：

this is original method!
this is the targetable method!

這樣Targetable介面的實現類就具有了Source類的功能。

對象的適配器模式

基本思路和類的適配器模式相同，只是將Adapter類作修改，這次不繼承Source類，而是持有Source類的實例，以達到解決相容性的問題。看圖：

只需要修改Adapter類的源碼即可：

public class Wrapper implements Targetable {  
  
    private Source source;  
      
    public Wrapper(Source source){  
        super();  
        this.source = source;  
    }  
    @Override  
    public void method2() {  
        System.out.println("this is the targetable method!");  
    }  
  
    @Override  
    public void method1() {  
        source.method1();  
    }  
}

View Code

測試類：

public class AdapterTest {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        Source source = new Source();  
        Targetable target = new Wrapper(source);  
        target.method1();  
        target.method2();  
    }  
}

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輸出與第一種一樣，只是適配的方法不同而已。

第三種適配器模式是介面的適配器模式，介面的適配器是這樣的：有時我們寫的一個介面中有多個抽象方法，當我們寫該介面的實現類時，必須實現該介面的所有方法，這明顯有時比較浪費，因為並不是所有的方法都是我們需要的，有時只需要某一些，此處為瞭解決這個問題，我們引入了介面的適配器模式，藉助於一個抽象類，該抽象類實現了該介面，實現了所有的方法，而我們不和原始的介面打交道，只和該抽象類取得聯繫，所以我們寫一個類，繼承該抽象類，重寫我們需要的方法就行。看一下類圖：

這個很好理解，在實際開發中，我們也常會遇到這種介面中定義了太多的方法，以致於有時我們在一些實現類中並不是都需要。看代碼：

public int