设计模式

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设计模式类型

创建型模式

这些设计模式提供了一种在创建对象的同时隐藏创建逻辑的方式，而不是使用 new 运算符直接实例化对象。这使得程序在判断针对某个给定实例需要创建哪些对象时更加灵活。

工厂模式（Factory Pattern）
抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）
单例模式（Singleton Pattern）
建造者模式（Builder Pattern）
原型模式（Prototype Pattern）

结构型模式

这些设计模式关注类和对象的组合。继承的概念被用来组合接口和定义组合对象获得新功能的方式。

适配器模式（Adapter Pattern）
桥接模式（Bridge Pattern）
过滤器模式（Filter、Criteria Pattern）
组合模式（Composite Pattern）
装饰器模式（Decorator Pattern）
外观模式（Facade Pattern）
享元模式（Flyweight Pattern）
代理模式（Proxy Pattern）

行为型模式

这些设计模式特别关注对象之间的通信。

责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）
命令模式（Command Pattern）
解释器模式（Interpreter Pattern）
迭代器模式（Iterator Pattern）
中介者模式（Mediator Pattern）
备忘录模式（Memento Pattern）
观察者模式（Observer Pattern）
状态模式（State Pattern）
空对象模式（Null Object Pattern）
策略模式（Strategy Pattern）
模板模式（Template Pattern）
访问者模式（Visitor Pattern）

J2EE 模式

这些设计模式特别关注表示层。这些模式是由 Sun Java Center 鉴定的。

MVC 模式（MVC Pattern）
业务代表模式（Business Delegate Pattern）
组合实体模式（Composite Entity Pattern）
数据访问对象模式（Data Access Object Pattern）
前端控制器模式（Front Controller Pattern）
拦截过滤器模式（Intercepting Filter Pattern）
服务定位器模式（Service Locator Pattern）
传输对象模式（Transfer Object Pattern）

设计模式的六大原则

0、单一职责原则(Single Responsibility Principle)

单一职责原则表示一个模块的组成元素之间的功能相关性。从软件变化的角度来看，就一个类而言，应该仅有一个让它变化的原因；通俗地说，即一个类只负责一项职责。

假设某个类 P 负责两个不同的职责，职责 P1 和职责 P2，那么当职责 P1 需求发生改变而需要修改类 P，有可能会导致原来运行正常的职责 P2 功能发生故障。

1、开闭原则（Open Close Principle）

开闭原则的意思是：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。简言之，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）

里氏代换原则是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，只有当派生类可以替换掉基类，且软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而派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）

这个原则是开闭原则的基础，具体内容：针对接口编程，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。它还有另外一个意思是：降低类之间的耦合度。

5、迪米特法则，又称最少知道原则（Demeter Principle）

最少知道原则是指：一个实体应当尽量少地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）

合成复用原则是指：尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

常见设计模式

单例模式

单例模式（Singleton）的目的是为了保证在一个进程中，某个类有且仅有一个实例。

因为这个类只有一个实例，因此，自然不能让调用方使用 new Xyz()来创建实例了。所以，单例的构造方法必须是 private，这样就防止了调用方自己创建实例。

只有 private 构造方法，确保外部无法实例化；

通过 private static 变量持有唯一实例，保证全局唯一性；

通过 public static 方法返回此唯一实例，使外部调用方能获取到实例。

懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

这种写法起到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。

如果在多线程下，一个线程进入了 if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  

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

懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

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

饿汉式

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

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

双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

描述：我们进行了两次 if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断 if (singleton == null)，直接 return 实例化对象。

优点：线程安全；延迟加载；效率较高。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton uniqueInstance;
    private Singleton(){
        
    }
    public static Singleton getUniqueInstance(){
        if (uniqueInstance==null){
            synchronized (Singleton.class){
                if (uniqueInstance==null){
                    uniqueInstance=new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

volatile 修饰 uniqueinstance 的必要性：

uniqueinstance=new singleton()；实际上分为 3 步。

1，为 uniqueinstance 分配内存。
2，初始化 uniqueinstance。
3，将 uniqueinstance 指向分配的内存地址。

因此：

代码读取到 instance 不为 null 时，instance 引用的对象可能还没有完成初始化。
防止指令重排。

静态内部类

public class Singleton {

private Singleton() {}

private static class SingletonInstance {
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}

public static Singleton getInstance() {
    return SingletonInstance.INSTANCE;
}
}

这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要 Singleton 类被装载就会实例化，没有 Lazy-Loading 的作用，而静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的实例化。

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这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要 Singleton 类被装载就会实例化，没有 Lazy-Loading 的作用，而静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的实例化。

类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM 帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。

优点：避免了线程不安全，延迟加载，效率高。

枚举

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod() {}
}

借助 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。可能是因为枚举在 JDK1.5 中才添加，所以在实际项目开发中，很少见人这么写过。

优点
系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。

缺点
当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用 new，可能会给其他开发人员造成困扰，特别是看不到源码的时候。

适用场合
需要频繁的进行创建和销毁的对象；
创建对象时耗时过多或耗费资源过多，但又经常用到的对象；
工具类对象；
频繁访问数据库或文件的对象。

工厂方法

工厂方法是指定义工厂接口和产品接口，但如何创建实际工厂和实际产品被推迟到子类实现，从而使调用方只和抽象工厂与抽象产品打交道。

实际更常用的是更简单的静态工厂方法，它允许工厂内部对创建产品进行优化。

调用方尽量持有接口或抽象类，避免持有具体类型的子类，以便工厂方法能随时切换不同的子类返回，却不影响调用方代码。

Integer n = Integer.valueOf(100);

Integer 既是产品又是静态工厂。它提供了静态方法 valueOf()来创建 Integer。那么这种方式和直接写 new Integer(100)有何区别呢？我们观察 valueOf()方法：

public final class Integer {
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }
    ...
}

它的好处在于，valueOf()内部可能会使用 new 创建一个新的 Integer 实例，但也可能直接返回一个缓存的 Integer 实例。对于调用方来说，没必要知道 Integer 创建的细节。

策略模式

策略模式：Strategy，是指，定义一组算法，并把其封装到一个对象中。然后在运行时，可以灵活的使用其中的一个算法。

策略模式在 Java 标准库中应用非常广泛，Arrays.sort()：

我们观察 Arrays.sort(T[] a, Comparator<? super T> c)，这个排序方法，它在内部实现了 TimSort 排序，但是，排序算法在比较两个元素大小的时候，需要借助我们传入的 Comparator 对象，才能完成比较。因此，这里的策略是指比较两个元素大小的策略，可以是忽略大小写比较，可以是倒序比较，也可以根据字符串长度比较。

因此，上述排序使用到了策略模式，它实际上指，在一个方法中，流程是确定的，但是，某些关键步骤的算法依赖调用方传入的策略，这样，传入不同的策略，即可获得不同的结果，大大增强了系统的灵活性。

适配器模式

将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。

适配器模式在 Java 标准库中有广泛应用。比如我们持有数据类型是 String[]，但是需要 List 接口时，可以用一个 Adapter：

1 2	`String[] exist = new String[] {"Good", "morning", "Bob", "and", "Alice"}; Set<String> set = new HashSet<>(Arrays.asList(exist));`

注意到 List Arrays.asList(T[])就相当于一个转换器，它可以把数组转换为 List。

装饰器模式

动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，相比生成子类更为灵活。

最顶层的 Component 是接口，对应到 IO 的就是 InputStream 这个抽象类。ComponentA、ComponentB 是实际的子类，对应到 IO 的就是 FileInputStream、ServletInputStream 这些数据源。Decorator 是用于实现各个附加功能的抽象装饰器，对应到 IO 的就是 FilterInputStream。而从 Decorator 派生的就是一个一个的装饰器，它们每个都有独立的功能，对应到 IO 的就是 BufferedInputStream、GZIPInputStream 等。

Decorator 模式有什么好处？它实际上把核心功能和附加功能给分开了。核心功能指 FileInputStream 这些真正读数据的源头，附加功能指加缓冲、压缩、解密这些功能。如果我们要新增核心功能，就增加 Component 的子类，例如 ByteInputStream。如果我们要增加附加功能，就增加 Decorator 的子类，例如 CipherInputStream。两部分都可以独立地扩展，而具体如何附加功能，由调用方自由组合，从而极大地增强了灵活性。

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