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设计模式

狂神说Java设计模式

目录

1、设计模式概述

23种设计模式

1.1什么是设计模式

设计模式是前辈们对代码的总结，是解决问题的一系列套路。

提高代码的可复用性，可维护性，可读性，稳健性及安全性的解决方案。

1995 四人帮

1.2学习设计模式的意义

  • 设计模式的本质是面向对象设计原则的实际应用，是对类的封装性、继承性和多态性以及关联关系和组合关系的充分理解。

优点：

  1. 可以提高程序员的思维能力、编程能力、设计能力
  2. 使程序设计更加标准化，代码编程更加工程化，使软件开发效率大大提高，从而缩短软件的开发周期
  3. 使设计的代码可重用性高，可读性强，可靠性高，灵活性好、可维护性强

1.3设计模式的基本要素

  • 模式名称
  • 问题
  • 解决方案
  • 效果

GOF 23

  • 一种思维 一种态度 一种进步
  1. 创建型模式
    • 单列模式、工厂模式、抽象工厂模式、建造者模式、原型模式
  2. 结构性模式
    • 适配器模式、桥接模式、装饰模式、组合模式、外观模式、享元模式、代理模式
  3. 行为型模式
    • 模板方法模式、命令模式、迭代器模式、观察者模式、中介者模式、备忘路模式、解释器模式、状态模式、策略模式、职责链模式、访问者模式

2、OOP七大原则

  1. 开闭原则：对扩展开放，对修改关闭
  2. 里氏替换原则：继承必须确保超类所拥有的的性质在子类中仍然存在
  3. 依赖倒置原则：要面向接口编程，不要面向实现编程。
  4. 单一职责原则： 控制类的粒度大小、将对象解耦、提高其内聚性。
  5. 接口隔离原则： 要为各个类建立它们需要的专用接口。
  6. 迪米特法则：只与你的朋友交谈，不跟“陌生人”说话。
  7. 合成复用原则：尽量先用组合或聚合等关联关系实现，其次才考虑用继承关系实现。

3、单例模式

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. 单列类必须给其他所有对象提供这一实例。

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。

3.1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() {//防止被外部实例化
    }

    private static Singleton single = null;

    //静态工厂方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (single == null) {
            single = new Singleton();
        }
        return single;
    }
}

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。

（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。

3.2 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;
    }
}//饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。

3.3 **登记式单例(可忽略)

public class Singleton3 {
    private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();
    static{
        Singleton3 single = new Singleton3();
        map.put(single.getClass().getName(), single);
    }
    //保护的默认构造子
    protected Singleton3(){}
    //静态工厂方法,返还此类惟一的实例
    public static Singleton3 getInstance(String name) {
        if(name == null) {
            name = Singleton3.class.getName();
            System.out.println("name == null"+"--->name="+name);
        }
        if(map.get(name) == null) {
            try {
                map.put(name, (Singleton3) Class.forName(name).newInstance());
            } catch (InstantiationException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return map.get(name);
    }
    //一个示意性的商业方法
    public String about() {    
        return "Hello, I am RegSingleton.";    
    }    
    public static void main(String[] args) {
        Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null);
        System.out.println(single3.about());
    }
}
//类似Spring里面的方法，将类名注册，下次从里面直接获取。

说明：
登记式单例实际上维护了一组单例类的实例，将这些实例存放在一个Map（登记薄）中，对于已经登记过的实例，则从Map直接返回，对于没有登记的，则先登记，然后返回。

这里我对登记式单例标记了可忽略，我的理解来说，首先它用的比较少，另外其实内部实现还是用的饿汉式单例，因为其中的static方法块，它的单例在类被装载的时候就被实例化了。
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3.4饿汉式和懒汉式区别

饿汉就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了，而懒汉比较懒，只有当调用getInstance的时候，才回去初始化这个单例。

另外从以下两点再区分以下这两种方式：

  1. 线程安全：
    饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题，

    懒汉式本身是非线程安全的，为了实现线程安全有几种写法，分别是上面的1、2、3， 这三种实现在资源加载和性能方面有些区别。

  2. 资源加载和性能
    饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成，

而懒汉式顾名思义，会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。

至于1、2、3这三种实现又有些区别，

第1种，在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟99%的情况下是不需要同步的，

第2种，在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗

第3种，利用了classloader的机制来保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，所以一般我倾向于使用这一种。

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
应用
以下是一个单例类使用的例子，以懒汉式为例，这里为了保证线程安全，使用了双重检查锁定的方式：

public class TestSingleton {
	String name = null;
 
        private TestSingleton() {
	}
 
	private static volatile TestSingleton instance = null;
 
	public static TestSingleton getInstance() {
           if (instance == null) {  
             synchronized (TestSingleton.class) {  
                if (instance == null) {  
                   instance = new TestSingleton(); 
                }  
             }  
           } 
           return instance;
	}
 
	public String getName() {
		return name;
	}
 
	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
 
	public void printInfo() {
		System.out.println("the name is " + name);
	}

volatile

简介
volatile是Java提供的一种轻量级的同步机制。Java 语言包含两种内在的同步机制：同步块（或方法）和 volatile 变量，相比于synchronized（synchronized通常称为重量级锁），volatile更轻量级，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。但是volatile 变量的同步性较差（有时它更简单并且开销更低），而且其使用也更容易出错。

并发编程的三个基本概念

  1. 原子性
    定义： 即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

    原子性是拒绝多线程操作的，不论是多核还是单核，具有原子性的量，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作。简而言之，在整个操作过程中不会被线程调度器中断的操作，都可认为是原子性。例如 a=1是原子性操作，但是a++和a +=1就不是原子性操作。Java中的原子性操作包括：

    • （1）基本类型的读取和赋值操作，且赋值必须是值赋给变量，变量之间的相互赋值不是原子性操作。
    • （2）所有引用reference的赋值操作
    • (3）java.concurrent.Atomic.* 包中所有类的一切操作

  2. 可见性
    定义：指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

    在多线程环境下，一个线程对共享变量的操作对其他线程是不可见的。Java提供了volatile来保证可见性，当一个变量被volatile修饰后，表示着线程本地内存无效，当一个线程修改共享变量后他会立即被更新到主内存中，其他线程读取共享变量时，会直接从主内存中读取。当然，synchronize和Lock都可以保证可见性。synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。
    3.有序性
    定义：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

    Java内存模型中的有序性可以总结为：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存主主内存同步延迟”现象。

    在Java内存模型中，为了效率是允许编译器和处理器对指令进行重排序，当然重排序不会影响单线程的运行结果，但是对多线程会有影响。Java提供volatile来保证一定的有序性。最著名的例子就是单例模式里面的DCL（双重检查锁）。另外，可以通过synchronized和Lock来保证有序性，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

锁的互斥和可见性

锁提供了两种主要特性：互斥（mutual exclusion） 和可见性（visibility）。

（1）互斥即一次只允许一个线程持有某个特定的锁，一次就只有一个线程能够使用该共享数据。

（2）可见性要更加复杂一些，它必须确保释放锁之前对共享数据做出的更改对于随后获得该锁的另一个线程是可见的。也即当一条线程修改了共享变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。如果没有同步机制提供的这种可见性保证，线程看到的共享变 量可能是修改前的值或不一致的值，这将引发许多严重问题。要使 volatile 变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件：

a.对变量的写操作不依赖于当前值。

b.该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。事实上就是保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

Java的内存模型JMM以及共享变量的可见性

JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：共享变量存储在主内存(Main Memory)中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存保存了被该线程使用到的主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。

https://img-blog.csdn.net/20180613171711160

对于普通的共享变量来讲，线程A将其修改为某个值发生在线程A的本地内存中，此时还未同步到主内存中去；而线程B已经缓存了该变量的旧值，所以就导致了共享变量值的不一致。解决这种共享变量在多线程模型中的不可见性问题，较粗暴的方式自然就是加锁，但是此处使用synchronized或者Lock这些方式太重量级了，比较合理的方式其实就是volatile。

需要注意的是，JMM是个抽象的内存模型，所以所谓的本地内存，主内存都是抽象概念，并不一定就真实的对应cpu缓存和物理内存

4、抽象工厂模式

定义：抽象工厂模式提供了一个创建一系列相关或者相互依赖的接口，无需指定他们具体的类。

适用场景：

  • 客户端（应用层） 不依赖产品类实例如何被创建、实现的细节。
  • 强调一系列相关的产品对象一起使用创建对象需要大量的重复代码
  • 提供一个产品类的库，所有的产品以同样的接口出现，从而使得客户不依赖与具体的实现。

优点：

  • 具体产品在应用层的代码隔离，无需关心创建的细节
  • 将一个系列的产品统一到一起创建

缺点 ：

  • 规定乐所有可能被创建的产品集合，产品簇中扩展新的产品难。
  • 增加了系统的抽象性和理解难度。

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posted @ 2021-08-03 15:47  我的卿云  阅读(52)  评论(1)  编辑  收藏  举报
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