Java 中幾種常用設計模式

Java 中一般認為有23種設計模式，當然暫時不需要所有的都會，但是其中常見的幾種設計模式應該去掌握。
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。

1. 單例模式

所謂的單例設計指的是一個類只允許產生一個實例化對象。
最好理解的一種設計模式，分為懶漢式和餓漢式。

1.餓漢式

　　——構造方法私有化，外部無法產生新的實例化對象，只能通過static方法取得實例化對象

class Singleton {
    /**
     * 在類的內部可以訪問私有結構，所以可以在類的內部產生實例化對象
     */
    private static Singleton instance = new Singleton();
    /**
     * private 聲明構造
     */
    private Singleton() {

    }
    /**
     * 返回對象實例
     */
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    public void print() {
        System.out.println("Hello Singleton...");
    }
}

 

 

2.懶漢式

　　——當第一次去使用Singleton對象的時候才會為其產生實例化對象的操作

class Singleton {

    /**
     * 聲明變量
     */
    private static volatile Singleton singleton = null;

    /**
     * 私有構造方法
     */
    private Singleton() {

    }

    /**
     * 提供對外方法
     * @return 
     */
    public static Singleton getInstance() {
        // 還未實例化
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
    public void print() {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

當多個線程並發執行 getInstance 方法時，懶漢式會存在線程安全問題，所以用到了 synchronized 來實現線程的同步，當一個線程獲得鎖的時候其他線程就只能在外等待其執行完畢。

而餓漢式則不存在線程安全的問題。

2. 工廠設計模式

工廠模式分為工廠方法模式和抽象工廠模式。

工廠方法模式

工廠方法模式： 
1. 工廠方法模式分為三種：普通工廠模式，就是建立一個工廠類，對實現了同一接口的一些類進行實例的創建。 
2. 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，如果傳遞的字符串出錯，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。 
3. 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。

1. 普通工廠模式

建立一個工廠類，對實現了同一接口的一些類進行實例的創建。

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("輸入錯誤...");
            return null;
        }
    }
}

 

 

2. 多個工廠方法模式

該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，如果傳遞的字符串出錯，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。

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();
    }
}

 

 

3. 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。

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();
    }
}

 

 

抽象工廠模式
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，如果想要擴展程序，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？
那么這就用到了抽象工廠模式，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。

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管理，用來創建復合對象，所謂復合對象就是指某個類具有不同的屬性。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @Author: LiuWang
 * @Created: 2018/8/6 17:47
 */

abstract class Builder {
    /**
     * 第一步：裝CPU
     */
   public abstract void buildCPU();

    /**
     * 第二步：裝主板
     */
    public abstract void buildMainBoard();

    /**
     * 第三步：裝硬盤
     */
    public abstract void buildHD();

    /**
     * 獲得組裝好的電腦
     * @return
     */
    public abstract Computer getComputer();
}

/**
 * 裝機人員裝機
 */
class Director {
    public void Construct(Builder builder) {
        builder.buildCPU();
        builder.buildMainBoard();
        builder.buildHD();
    }
}

/**
 * 具體的裝機人員
 */
class ConcreteBuilder extends  Builder {

    Computer computer = new Computer();

    @Override
    public void buildCPU() {
        computer.Add("裝CPU");
    }

    @Override
    public void buildMainBoard() {
        computer.Add("裝主板");
    }

    @Override
    public void buildHD() {
        computer.Add("裝硬盤");
    }

    @Override
    public Computer getComputer() {
        return computer;
    }
}

class Computer {

    /**
     * 電腦組件集合
     */
    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("組件:" + parts.get(i) + "裝好了...");
        }
        System.out.println("電腦組裝完畢...");
    }
}

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. 適配器設計模式

適配器模式是將某個類的接口轉換成客戶端期望的另一個接口表示，目的是消除由於接口不匹配所造成的的類的兼容性問題。

主要分三類：類的適配器模式、對象的適配器模式、接口的適配器模式。

1. 類的適配器模式：

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

interface Targetable {

    /**
     * 與原類中的方法相同
     */
    public void method1();

    /**
     * 新類的方法
     */
    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();
    }
}

 

2. 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，以達到解決兼容性的問題。

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

interface Targetable {

    /**
     * 與原類中的方法相同
     */
    public void method1();

    /**
     * 新類的方法
     */
    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();
    }
}

 

 

3. 接口的適配器模式

接口的適配器是這樣的：有時我們寫的一個接口中有多個抽象方法，當我們寫該接口的實現類時，必須實現該接口的所有方法，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，此處為了解決這個問題，我們引入了接口的適配器模式，借助於一個抽象類，該抽象類實現了該接口，實現了所有的方法，而我們不和原始的接口打交道，只和該抽象類取得聯系，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。

/**
 * 定義端口接口，提供通信服務
 */
interface Port {
    /**
     * 遠程SSH端口為22
     */
    void SSH();

    /**
     * 網絡端口為80
     */
    void NET();

    /**
     * Tomcat容器端口為8080
     */
    void Tomcat();

    /**
     * MySQL數據庫端口為3306
     */
    void MySQL();
}

/**
 * 定義抽象類實現端口接口，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() {

    }
}

/**
 * 提供聊天服務
 * 需要網絡功能
 */
class Chat extends Wrapper {
    @Override
    public void NET() {
        System.out.println("Hello World...");
    }
}

/**
 * 網站服務器
 * 需要Tomcat容器，Mysql數據庫，網絡服務，遠程服務
 */
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) {
        // 聊天服務
        chatPort.NET();

        // 服務器
        serverPort.SSH();
        serverPort.NET();
        serverPort.Tomcat();
        serverPort.MySQL();
    }
}

 

 

5. 裝飾模式

顧名思義，裝飾模式就是給一個對象增加一些新的功能，而且是動態的，要求裝飾對象和被裝飾對象實現同一個接口，裝飾對象持有被裝飾對象的實例。

interface Shape {
    void draw();
}

/**
 * 實現接口的實體類
 */
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...");
    }
}

/**
 * 創建實現了 Shape 接口的抽象裝飾類。
 */
abstract class ShapeDecorator implements Shape {
    protected Shape decoratedShape;

    public ShapeDecorator(Shape decoratedShape) {
        this.decoratedShape = decoratedShape;
    }

    @Override
    public void draw() {
        decoratedShape.draw();
    }
}

/**
 *  創建擴展自 ShapeDecorator 類的實體裝飾類。
 */
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 來裝飾 Shape 對象。
 */
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

策略模式定義了一系列算法，並將每個算法封裝起來，使他們可以相互替換，且算法的變化不會影響到使用算法的客戶。需要設計一個接口，為一系列實現類提供統一的方法，多個實現類實現該接口，設計一個抽象類（可有可無，屬於輔助類），提供輔助函數。策略模式的決定權在用戶，系統本身提供不同算法的實現，新增或者刪除算法，對各種算法做封裝。因此，策略模式多用在算法決策系統中，外部用戶只需要決定用哪個算法即可。

/**
 * 抽象算法的策略類，定義所有支持的算法的公共接口
 */
abstract class Strategy {
    /**
     * 算法方法
     */
    public abstract void AlgorithmInterface();
}

/**
 * 具體算法A
 */
class ConcreteStrategyA extends Strategy {
    //算法A實現方法
    @Override
    public void AlgorithmInterface() {
        System.out.println("算法A的實現");
    }
}

/**
 * 具體算法B
 */
class ConcreteStrategyB extends Strategy {
    /**
     * 算法B實現方法
     */
    @Override
    public void AlgorithmInterface() {
        System.out.println("算法B的實現");
    }
}

/**
 * 具體算法C
 */
class ConcreteStrategyC extends Strategy {
    @Override
    public void AlgorithmInterface() {
        System.out.println("算法C的實現");
    }
}

/**
 * 上下文，維護一個對策略類對象的引用
 */
class Context {
    Strategy strategy;

    public Context(Strategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void contextInterface(){
        strategy.AlgorithmInterface();
    }
}

/**
 * 客戶端代碼：實現不同的策略
 */
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

代理模式指給一個對象提供一個代理對象，並由代理對象控制對原對象的引用。代理可以分為靜態代理和動態代理。
通過代理模式，可以利用代理對象為被代理對象添加額外的功能，以此來拓展被代理對象的功能。可以用於計算某個方法執行時間，在某個方法執行前后記錄日志等操作。

1. 靜態代理

靜態代理需要我們寫出代理類和被代理類，而且一個代理類和一個被代理類一一對應。代理類和被代理類需要實現同一個接口，通過聚合使得代理對象中有被代理對象的引用，以此實現代理對象控制被代理對象的目的。

/**
 * 代理類和被代理類共同實現的接口
 */
interface IService {

    void service();
}


/**
 * 被代理類
 */
class Service implements IService{

    @Override
    public void service() {
        System.out.println("被代理對象執行相關操作");
    }
}

/**
 * 代理類
 */
class ProxyService implements IService{
    /**
     * 持有被代理對象的引用
     */
    private IService service;

    /**
     * 默認代理Service類
     */
    public ProxyService() {
        this.service = new Service();
    }

    /**
     * 也可以代理實現相同接口的其他類
     * @param service
     */
    public ProxyService(IService service) {
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void service() {
        System.out.println("開始執行service()方法");
        service.service();
        System.out.println("service()方法執行完畢");
    }
}


//測試類
public class ProxyPattern {

    public static void main(String[] args) {
        IService service = new Service();
        //傳入被代理類的對象
        ProxyService proxyService = new ProxyService(service);
        proxyService.service();
    }
}

 

 

2. 動態代理

JDK 1.3 之后，Java通過java.lang.reflect包中的三個類Proxy、InvocationHandler、Method來支持動態代理。動態代理常用於有若干個被代理的對象，且為每個被代理對象添加的功能是相同的（例如在每個方法運行前后記錄日志）。

動態代理的代理類不需要我們編寫，由Java自動產生代理類源代碼並進行編譯最后生成代理對象。
創建動態代理對象的步驟：
1. 指明一系列的接口來創建一個代理對象
2. 創建一個調用處理器（InvocationHandler）對象
3. 將這個代理指定為某個其他對象的代理對象
4. 在調用處理器的invoke（）方法中采取代理，一方面將調用傳遞給真實對象，另一方面執行各種需要的操作

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

/**
 * 代理類和被代理類共同實現的接口
 */
interface IService {
    void service();
}

class Service implements IService{

    @Override
    public void service() {
        System.out.println("被代理對象執行相關操作");
    }
}

class ServiceInvocationHandler implements InvocationHandler {

    /**
     * 被代理的對象
     */
    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("開始執行"+method.getName()+"方法");
        //執行原對象的相關操作，容易忘記
        Object returnObj = method.invoke(srcObject,args);
        System.out.println(method.getName()+"方法執行完畢");
        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();
    }
}