Java 设计模式
工厂方法模式
工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象化和推广，工厂方法模式里不再只由一个工厂类决定那一个产品类应当被实例化,这个决定被交给抽象工厂的子类去做。
来看下它的组成：
1)抽象工厂角色：这是工厂方法模式的核心，它与应用程序无关。是具体工厂角色必须实现的接口或者必须继承的父类。在java中它由抽象类或者接口来实现。
2)具体工厂角色：它含有和具体业务逻辑有关的代码。由应用程序调用以创建对应的具体产品的对象。
3)抽象产品角色：它是具体产品继承的父类或者是实现的接口。在java中一般有抽象类或者接口来实现。
4)具体产品角色：具体工厂角色所创建的对象就是此角色的实例。在java中由具体的类来实现。
工厂方法模式使用继承自抽象工厂角色的多个子类来代替简单工厂模式中的“上帝类”。正如上面所说，这样便分担了对象承受的压力；而且这样使得结构变得灵活起来——当有新的产品（即暴发户的汽车）产生时，只要按照抽象产品角色、抽象工厂角色提供的合同来生成，那么就可以被客户使用，而不必去修改任何已有的代码。可以看出工厂角色的结构也是符合开闭原则的！
代码：
public interface Moveable {
void run();
}
//具体产品角色
public class Plane implements Moveable {
@Override
public void run() {
System.out.println("plane....");
}
}
public class Broom implements Moveable {
@Override
public void run() {
System.out.println("broom.....");
}
}
//抽象工厂
public abstract class VehicleFactory {
abstract Moveable create();
}
public class PlaneFactory extends VehicleFactory{
public Moveable create() {
return new Plane();
}
}
public Moveable create() {
return new Broom();
}
}
public class Test {
public static void main(String[] args) {
VehicleFactory factory = new BroomFactory();
Moveable m = factory.create();
m.run();
}
}
可以看出工厂方法的加入，使得对象的数量成倍增长。当产品种类非常多时，会出现大量的与之对应的工厂对象，这不是我们所希望的。因为如果不能避免这种情况，可以考虑使用简单工厂模式与工厂方法模式相结合的方式来减少工厂类：即对于产品树上类似的种类（一般是树的叶子中互为兄弟的）使用简单工厂模式来实现。
四、简单工厂和工厂方法模式的比较
工厂方法模式和简单工厂模式在定义上的不同是很明显的。工厂方法模式的核心是一个抽象工厂类,而不像简单工厂模式, 把核心放在一个实类上。工厂方法模式可以允许很多实的工厂类从抽象工厂类继承下来, 从而可以在实际上成为多个简单工厂模式的综合,从而推广了简单工厂模式。
反过来讲,简单工厂模式是由工厂方法模式退化而来。设想如果我们非常确定一个系统只需要一个实的工厂类, 那么就不妨把抽象工厂类合并到实的工厂类中去。而这样一来,我们就退化到简单工厂模式了。
五、抽象工厂模式
public abstract Vehicle createVehicle();
public abstract Weapon createWeapon();
public abstract Food createFood();
}
@Override
public Food createFood() {
return new Apple();
}
@Override
public Vehicle createVehicle() {
return new Car();
}
@Override
public Weapon createWeapon() {
return new AK47();
}
}
public static void main(String[] args) {
AbstractFactory f = new DefaultFactory();
Vehicle v = f.createVehicle();
v.run();
Weapon w = f.createWeapon();
w.shoot();
Food a = f.createFood();
a.printName();
}
}
六、总结。
（1）简单工厂模式是由一个具体的类去创建其他类的实例，父类是相同的，父类是具体的。
（2）工厂方法模式是有一个抽象的父类定义公共接口，子类负责生成具体的对象，这样做的目的是将类的实例化操作延迟到子类中完成。
（3）抽象工厂模式提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无须指定他们具体的类。它针对的是有多个产品的等级结构。而工厂方法模式针对的是一个产品的等级结构。
概念：
java中单例模式是一种常见的设计模式，单例模式的写法有好几种，这里主要介绍三种：懒汉式单例、饿汉式单例、登记式单例。
单例模式有以下特点：
1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。
一、懒汉式单例
//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己
public class Singleton {
private Singleton() {}
private static Singleton single=null;
//静态工厂方法
public static Singleton getInstance() {
if (single == null) {
single = new Singleton();
}
return single;
}
}
（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论，姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。）
但是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个Singleton实例，要实现线程安全，有以下三种方式，都是对getInstance这个方法改造，保证了懒汉式单例的线程安全，如果你第一次接触单例模式，对线程安全不是很了解，可以先跳过下面这三小条，去看饿汉式单例，等看完后面再回头考虑线程安全的问题：
1、在getInstance方法上加同步
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (single == null) {
single = new Singleton();
}
return single;
}
2、双重检查锁定
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
3、静态内部类
public class Singleton {
private static class LazyHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}
这种比上面1、2都好一些，既实现了线程安全，又避免了同步带来的性能影响。
二、饿汉式单例
//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化
public class Singleton1 {
private Singleton1() {}
private static final Singleton1 single = new Singleton1();
//静态工厂方法
public static Singleton1 getInstance() {
return single;
}
}
什么是线程安全？
如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。
或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作，或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题，那就是线程安全的。
代理模式是对象的结构模式。代理模式给某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。
代理模式的结构
所谓代理，就是一个人或者机构代表另一个人或者机构采取行动。在一些情况下，一个客户不想或者不能够直接引用一个对象，而代理对象可以在客户端和目标对象之间起到中介的作用。
代理模式类图如下：
在代理模式中的角色：
● 抽象对象角色：声明了目标对象和代理对象的共同接口，这样一来在任何可以使用目标对象的地方都可以使用代理对象。
● 目标对象角色：定义了代理对象所代表的目标对象。
● 代理对象角色：代理对象内部含有目标对象的引用，从而可以在任何时候操作目标对象；代理对象提供一个与目标对象相同的接口，以便可以在任何时候替代目标对象。代理对象通常在客户端调用传递给目标对象之前或之后，执行某个操作，而不是单纯地将调用传递给目标对象。
源代码
抽象对象角色
public abstract class AbstractObject {
//操作
public abstract void operation();
}
目标对象角色
public class RealObject extends AbstractObject {
@Override
public void operation() {
//一些操作
System.out.println("一些操作");
}
}
代理对象角色
public class ProxyObject extends AbstractObject{
RealObject realObject = new RealObject();
@Override
public void operation() {
//调用目标对象之前可以做相关操作
System.out.println("before");
realObject.operation();
//调用目标对象之后可以做相关操作
System.out.println("after");
}
}
客户端
public class Client {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
AbstractObject obj = new ProxyObject();
obj.operation();
}
}
适配器模式把一个类的接口变换成客户端所期待的另一种接口，从而使原本因接口不匹配而无法在一起工作的两个类能够在一起工作。
适配器模式的用途
用电器做例子，笔记本电脑的插头一般都是三相的，即除了阳极、阴极外，还有一个地极。而有些地方的电源插座却只有两极，没有地极。电源插座与笔记本电脑的电源插头不匹配使得笔记本电脑无法使用。这时候一个三相到两相的转换器（适配器）就能解决此问题，而这正像是本模式所做的事情。
适配器模式的结构
适配器模式有类的适配器模式和对象的适配器模式两种不同的形式。
类适配器模式
类的适配器模式把适配的类的API转换成为目标类的API。
在上图中可以看出，Adaptee类并没有sampleOperation2()方法，而客户端则期待这个方法。为使客户端能够使用Adaptee类，提供一个中间环节，即类Adapter，把Adaptee的API与Target类的API衔接起来。Adapter与Adaptee是继承关系，这决定了这个适配器模式是类的：
模式所涉及的角色有：
● 目标(Target)角色：这就是所期待得到的接口。注意：由于这里讨论的是类适配器模式，因此目标不可以是类。
● 源(Adapee)角色：现在需要适配的接口。
● 适配器(Adaper)角色：适配器类是本模式的核心。适配器把源接口转换成目标接口。显然，这一角色不可以是接口，而必须是具体类。
源代码
public interface Target {
/**
* 这是源类Adaptee也有的方法
*/
public void sampleOperation1();
/**
* 这是源类Adapteee没有的方法
*/
public void sampleOperation2();
}
上面给出的是目标角色的源代码，这个角色是以一个JAVA接口的形式实现的。可以看出，这个接口声明了两个方法：sampleOperation1()和sampleOperation2()。而源角色Adaptee是一个具体类，它有一个sampleOperation1()方法，但是没有sampleOperation2()方法。
public class Adaptee {
public void sampleOperation1(){}
}
适配器角色Adapter扩展了Adaptee,同时又实现了目标(Target)接口。由于Adaptee没有提供sampleOperation2()方法，而目标接口又要求这个方法，因此适配器角色Adapter实现了这个方法。
public class Adapter extends Adaptee implements Target {
/**
* 由于源类Adaptee没有方法sampleOperation2()
* 因此适配器补充上这个方法
*/
@Override
public void sampleOperation2() {
//写相关的代码
}
}
对象适配器模式
与类的适配器模式一样，对象的适配器模式把被适配的类的API转换成为目标类的API，与类的适配器模式不同的是，对象的适配器模式不是使用继承关系连接到Adaptee类，而是使用委派关系连接到Adaptee类。
从上图可以看出，Adaptee类并没有sampleOperation2()方法，而客户端则期待这个方法。为使客户端能够使用Adaptee类，需要提供一个包装(Wrapper)类Adapter。这个包装类包装了一个Adaptee的实例，从而此包装类能够把Adaptee的API与Target类的API衔接起来。Adapter与Adaptee是委派关系，这决定了适配器模式是对象的。
源代码
public interface Target {
/**
* 这是源类Adaptee也有的方法
*/
public void sampleOperation1();
/**
* 这是源类Adapteee没有的方法
*/
public void sampleOperation2();
}
public class Adaptee {
public void sampleOperation1(){}
}
public class Adapter {
private Adaptee adaptee;
public Adapter(Adaptee adaptee){
this.adaptee = adaptee;
}
/**
* 源类Adaptee有方法sampleOperation1
* 因此适配器类直接委派即可
*/
public void sampleOperation1(){
this.adaptee.sampleOperation1();
}
/**
* 源类Adaptee没有方法sampleOperation2
* 因此由适配器类需要补充此方法
*/
public void sampleOperation2(){
//写相关的代码
}
}
医院的例子
现代的软件系统都是比较复杂的，设计师处理复杂系统的一个常见方法便是将其“分而治之”，把一个系统划分为几个较小的子系统。如果把医院作为一个子系统，按照部门职能，这个系统可以划分为挂号、门诊、划价、化验、收费、取药等。看病的病人要与这些部门打交道，就如同一个子系统的客户端与一个子系统的各个类打交道一样，不是一件容易的事情。
首先病人必须先挂号，然后门诊。如果医生要求化验，病人必须首先划价，然后缴费，才可以到化验部门做化验。化验后再回到门诊室。
上图描述的是病人在医院里的体验，图中的方框代表医院。
解决这种不便的方法便是引进门面模式，医院可以设置一个接待员的位置，由接待员负责代为挂号、划价、缴费、取药等。这个接待员就是门面模式的体现，病人只接触接待员，由接待员与各个部门打交道。
门面模式的结构
门面模式没有一个一般化的类图描述，最好的描述方法实际上就是以一个例子说明。
由于门面模式的结构图过于抽象，因此把它稍稍具体点。假设子系统内有三个模块，分别是ModuleA、ModuleB和ModuleC，它们分别有一个示例方法，那么此时示例的整体结构图如下：
在这个对象图中，出现了两个角色：
● 门面(Facade)角色 ：客户端可以调用这个角色的方法。此角色知晓相关的（一个或者多个）子系统的功能和责任。在正常情况下，本角色会将所有从客户端发来的请求委派到相应的子系统去。
● 子系统(SubSystem)角色 ：可以同时有一个或者多个子系统。每个子系统都不是一个单独的类，而是一个类的集合（如上面的子系统就是由ModuleA、ModuleB、ModuleC三个类组合而成）。每个子系统都可以被客户端直接调用，或者被门面角色调用。子系统并不知道门面的存在，对于子系统而言，门面仅仅是另外一个客户端而已。
源代码
子系统角色中的类：
public class ModuleA {
//示意方法
public void testA(){
System.out.println("调用ModuleA中的testA方法");
}
}
public class ModuleB {
//示意方法
public void testB(){
System.out.println("调用ModuleB中的testB方法");
}
}
public class ModuleC {
//示意方法
public void testC(){
System.out.println("调用ModuleC中的testC方法");
}
}
门面角色类：
public class Facade {
//示意方法，满足客户端需要的功能
public void test(){
ModuleA a = new ModuleA();
a.testA();
ModuleB b = new ModuleB();
b.testB();
ModuleC c = new ModuleC();
c.testC();
}
}
客户端角色类：
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Facade facade = new Facade();
facade.test();
}
}
Facade类其实相当于A、B、C模块的外观界面，有了这个Facade类，那么客户端就不需要亲自调用子系统中的A、B、C模块了，也不需要知道系统内部的实现细节，甚至都不需要知道A、B、C模块的存在，客户端只需要跟Facade类交互就好了，从而更好地实现了客户端和子系统中A、B、C模块的解耦，让客户端更容易地使用系统。
门面模式的实现
使用门面模式还有一个附带的好处，就是能够有选择性地暴露方法。一个模块中定义的方法可以分成两部分，一部分是给子系统外部使用的，一部分是子系统内部模块之间相互调用时使用的。有了Facade类，那么用于子系统内部模块之间相互调用的方法就不用暴露给子系统外部了。
比如，定义如下A、B、C模块。
public class Module {
/**
* 提供给子系统外部使用的方法
*/
public void a1(){};
/**
* 子系统内部模块之间相互调用时使用的方法
*/
public void a2(){};
public void a3(){};
}
public class ModuleB {
/**
* 提供给子系统外部使用的方法
*/
public void b1(){};
/**
* 子系统内部模块之间相互调用时使用的方法
*/
public void b2(){};
public void b3(){};
}
public class ModuleC {
/**
* 提供给子系统外部使用的方法
*/
public void c1(){};
/**
* 子系统内部模块之间相互调用时使用的方法
*/
public void c2(){};
public void c3(){};
}
public class ModuleFacade {
ModuleA a = new ModuleA();
ModuleB b = new ModuleB();
ModuleC c = new ModuleC();
/**
* 下面这些是A、B、C模块对子系统外部提供的方法
*/
public void a1(){
a.a1();
}
public void b1(){
b.b1();
}
public void c1(){
c.c1();
}
}
这样定义一个ModuleFacade类可以有效地屏蔽内部的细节，免得客户端去调用Module类时，发现一些不需要它知道的方法。比如a2()和a3()方法就不需要让客户端知道，否则既暴露了内部的细节，又让客户端迷惑。对客户端来说，他可能还要去思考a2()、a3()方法用来干什么呢？其实a2()和a3()方法是内部模块之间交互的，原本就不是对子系统外部的，所以干脆就不要让客户端知道。
一个系统可以有几个门面类
在门面模式中，通常只需要一个门面类，并且此门面类只有一个实例，换言之它是一个单例类。当然这并不意味着在整个系统里只有一个门面类，而仅仅是说对每一个子系统只有一个门面类。或者说，如果一个系统有好几个子系统的话，每一个子系统都有一个门面类，整个系统可以有数个门面类。
为子系统增加新行为
初学者往往以为通过继承一个门面类便可在子系统中加入新的行为，这是错误的。门面模式的用意是为子系统提供一个集中化和简化的沟通管道，而不能向子系统加入新的行为。比如医院中的接待员并不是医护人员，接待员并不能为病人提供医疗服务。
门面模式的优点
门面模式的优点：
● 松散耦合
门面模式松散了客户端与子系统的耦合关系，让子系统内部的模块能更容易扩展和维护。
● 简单易用
门面模式让子系统更加易用，客户端不再需要了解子系统内部的实现，也不需要跟众多子系统内部的模块进行交互，只需要跟门面类交互就可以了。
● 更好的划分访问层次
通过合理使用Facade，可以帮助我们更好地划分访问的层次。有些方法是对系统外的，有些方法是系统内部使用的。把需要暴露给外部的功能集中到门面中，这样既方便客户端使用，也很好地隐藏了内部的细节。
观察者模式定义了一种一对多的依赖关系，让多个观察者对象同时监听某一个主题对象。这个主题对象在状态上发生变化时，会通知所有观察者对象，使它们能够自动更新自己。
观察者模式的结构
一个软件系统里面包含了各种对象，就像一片欣欣向荣的森林充满了各种生物一样。在一片森林中，各种生物彼此依赖和约束，形成一个个生物链。一种生物的状态变化会造成其他一些生物的相应行动，每一个生物都处于别的生物的互动之中。
同样，一个软件系统常常要求在某一个对象的状态发生变化的时候，某些其他的对象做出相应的改变。做到这一点的设计方案有很多，但是为了使系统能够易于复用，应该选择低耦合度的设计方案。减少对象之间的耦合有利于系统的复用，但是同时设计师需要使这些低耦合度的对象之间能够维持行动的协调一致，保证高度的协作。观察者模式是满足这一要求的各种设计方案中最重要的一种。
下面以一个简单的示意性实现为例，讨论观察者模式的结构。
观察者模式所涉及的角色有：
● 抽象主题(Subject)角色：抽象主题角色把所有对观察者对象的引用保存在一个聚集（比如ArrayList对象）里，每个主题都可以有任何数量的观察者。抽象主题提供一个接口，可以增加和删除观察者对象，抽象主题角色又叫做抽象被观察者(Observable)角色。
● 具体主题(ConcreteSubject)角色：将有关状态存入具体观察者对象；在具体主题的内部状态改变时，给所有登记过的观察者发出通知。具体主题角色又叫做具体被观察者(Concrete Observable)角色。
● 抽象观察者(Observer)角色：为所有的具体观察者定义一个接口，在得到主题的通知时更新自己，这个接口叫做更新接口。
● 具体观察者(ConcreteObserver)角色：存储与主题的状态自恰的状态。具体观察者角色实现抽象观察者角色所要求的更新接口，以便使本身的状态与主题的状态 像协调。如果需要，具体观察者角色可以保持一个指向具体主题对象的引用。
源代码
抽象主题角色类
public abstract class Subject {
/**
* 用来保存注册的观察者对象
*/
private List<Observer> list = new ArrayList<Observer>();
/**
* 注册观察者对象
* @param observer 观察者对象
*/
public void attach(Observer observer){
list.add(observer);
System.out.println("Attached an observer");
}
/**
* 删除观察者对象
* @param observer 观察者对象
*/
public void detach(Observer observer){
list.remove(observer);
}
/**
* 通知所有注册的观察者对象
*/
public void nodifyObservers(String newState){
for(Observer observer : list){
observer.update(newState);
}
}
}
具体主题角色类
public class ConcreteSubject extends Subject{
private String state;
public String getState() {
return state;
}
public void change(String newState){
state = newState;
System.out.println("主题状态为：" + state);
//状态发生改变，通知各个观察者
this.nodifyObservers(state);
}
}
抽象观察者角色类
public interface Observer {
/**
* 更新接口
* @param state 更新的状态
*/
public void update(String state);
}
具体观察者角色类
public class ConcreteObserver implements Observer {
//观察者的状态
private String observerState;
@Override
public void update(String state) {
/**
* 更新观察者的状态，使其与目标的状态保持一致
*/
observerState = state;
System.out.println("状态为："+observerState);
}
}
客户端类
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//创建主题对象
ConcreteSubject subject = new ConcreteSubject();
//创建观察者对象
Observer observer = new ConcreteObserver();
//将观察者对象登记到主题对象上
subject.attach(observer);
//改变主题对象的状态
subject.change("new state");
}
}
运行结果如下
在运行时，这个客户端首先创建了具体主题类的实例，以及一个观察者对象。然后，它调用主题对象的attach()方法，将这个观察者对象向主题对象登记，也就是将它加入到主题对象的聚集中去。
这时，客户端调用主题的change()方法，改变了主题对象的内部状态。主题对象在状态发生变化时，调用超类的notifyObservers()方法，通知所有登记过的观察者对象。
