常用设计模式

一、单例模式

1、饿汉式

饿汉式的实现方式比较简单。在类加载的时候，instance 静态实例就已经创建并初始化好了，所以，instance 实例的创建过程是线程安全的。不过，这样的实现方式不支持延迟加载（在真正用到 IdGenerator 的时候，再创建实例）
如果初始化耗时长，那我们最好不要等到真正要用它的时候，才去执行这个耗时长的初始化过程，这会影响到系统的性能（比如，在响应客户端接口请求的时候，做这个初始化操作，会导致此请求的响应时间变长，甚至超时）。采用饿汉式实现方式，将耗时的初始化操作，提前到程序启动的时候完成，这样就能避免在程序运行的时候，再去初始化导致的性能问题。
```
public class IdGenerator { 
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
    private IdGenerator() {}
    public static IdGenerator getInstance() {
        return instance;
    }
    public long getId() { 
        return id.incrementAndGet();
    }
}
```

2、懒汉式

懒汉式相对于饿汉式的优势是支持延迟加载

public class IdGenerator { 
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    private static IdGenerator instance;
    private IdGenerator() {}
    public static synchronized IdGenerator getInstance() {
        if (instance == null) {  // instance 是 null 的时候才去创建这个对象
            instance = new IdGenerator();
        }
        return instance;
    }
    public long getId() { 
        return id.incrementAndGet();
    }
}

我们给 getInstance() 这个方法加了一把大锁（synchronzed），导致这个函数的并发度很低
如果频繁地用到，那频繁加锁、释放锁及并发度低等问题，会导致性能瓶颈，这种实现方式就不可取了

3、双重检测

既支持延迟加载、又支持高并发的单例实现方式

public class IdGenerator { 
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    private static volatile IdGenerator instance; // 注意有 volatile，多个线程可见
    private IdGenerator() {}
    public static IdGenerator getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(IdGenerator.class) { // 此处为类级别的锁
                if (instance == null) {
                    instance = new IdGenerator();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    public long getId() { 
        return id.incrementAndGet();
    }
}

4、静态内部类

做到了延迟加载

public class IdGenerator { 
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    private IdGenerator() {}

    private static class SingletonHolder{
        private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
    }

    public static IdGenerator getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }

    public long getId() { 
        return id.incrementAndGet();
    }
}

SingletonHolder 是一个静态内部类，当外部类 IdGenerator 被加载的时候，并不会创建 SingletonHolder 实例对象。只有当调用 getInstance() 方法时，SingletonHolder 才会被加载，这个时候才会创建 instance。instance 的唯一性、创建过程的线程安全性，都由 JVM 来保证。所以，这种实现方法既保证了线程安全，又能做到延迟加载。

5、枚举

这种实现方式通过 Java 枚举类型本身的特性，保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性

public enum IdGenerator {
    INSTANCE;
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);

    public long getId() { 
        return id.incrementAndGet();
    }
}

二、工厂模式

1、简单工厂模式

和名字一样简单，非常简单，直接上代码吧：
```
public class FoodFactory {
    public static Food makeFood(String name) {
        if (name.equals("noodle")) {
            Food noodle = new LanZhouNoodle();
            noodle.addSpicy("more");
            return noodle;
        } else if (name.equals("chicken")) {
            Food chicken = new HuangMenChicken();
            chicken.addCondiment("potato");
            return chicken;
        } else {
            return null;
        }
    }
}
```
其中，LanZhouNoodle 和 HuangMenChicken 都继承自 Food。

简单地说，简单工厂模式通常就是这样，一个工厂类 XxxFactory，里面有一个静态方法，根据我们不同的参数，返回不同的派生自同一个父类（或实现同一接口）的实例对象。

我们强调职责单一原则，一个类只提供一种功能，FoodFactory 的功能就是只要负责生产各种 Food。

2、工厂方法

工厂方法模式：定义了一个创建对象的接口，但由子类决定要实例化的类是哪一个。工厂方法让类把实例化推迟到子类

之所以需要引入工厂模式，是因为我们往往需要使用两个或两个以上的工厂。

public interface FoodFactory {
    Food makeFood(String name);
}
public class ChineseFoodFactory implements FoodFactory {

    @Override
    public Food makeFood(String name) {
        if (name.equals("A")) {
            return new ChineseFoodA();
        } else if (name.equals("B")) {
            return new ChineseFoodB();
        } else {
            return null;
        }
    }
}
public class AmericanFoodFactory implements FoodFactory {

    @Override
    public Food makeFood(String name) {
        if (name.equals("A")) {
            return new AmericanFoodA();
        } else if (name.equals("B")) {
            return new AmericanFoodB();
        } else {
            return null;
        }
    }
}

其中，ChineseFoodA、ChineseFoodB、AmericanFoodA、AmericanFoodB 都派生自 Food。

客户端调用：

public class APP {
    public static void main(String[] args) {
        // 先选择一个具体的工厂
        FoodFactory factory = new ChineseFoodFactory();
        // 由第一步的工厂产生具体的对象，不同的工厂造出不一样的对象
        Food food = factory.makeFood("A");
    }
}

虽然都是调用 makeFood("A") 制作 A 类食物，但是，不同的工厂生产出来的完全不一样。

第一步，我们需要选取合适的工厂，然后第二步基本上和简单工厂一样。

核心在于，我们需要在第一步选好我们需要的工厂。比如，我们有 LogFactory 接口，实现类有 FileLogFactory 和 KafkaLogFactory，分别对应将日志写入文件和写入 Kafka 中，显然，我们客户端第一步就需要决定到底要实例化 FileLogFactory 还是 KafkaLogFactory，这将决定之后的所有的操作。

3、抽象工厂

抽象工厂模式：提供一个接口，用于创建相关或依赖对象的家族，而不需要明确指定具体类
当涉及到产品族的时候，就需要引入抽象工厂模式了。

一个经典的例子是造一台电脑。我们先不引入抽象工厂模式，看看怎么实现。

因为电脑是由许多的构件组成的，我们将 CPU 和主板进行抽象，然后 CPU 由 CPUFactory 生产，主板由 MainBoardFactory 生产，然后，我们再将 CPU 和主板搭配起来组合在一起，如下图：

这个时候的客户端调用是这样的：
```
// 得到 Intel 的 CPU
CPUFactory cpuFactory = new IntelCPUFactory();
CPU cpu = intelCPUFactory.makeCPU();

// 得到 AMD 的主板
MainBoardFactory mainBoardFactory = new AmdMainBoardFactory();
MainBoard mainBoard = mainBoardFactory.make();

// 组装 CPU 和主板
Computer computer = new Computer(cpu, mainBoard);
```
单独看 CPU 工厂和主板工厂，它们分别是前面我们说的工厂模式。这种方式也容易扩展，因为要给电脑加硬盘的话，只需要加一个 HardDiskFactory 和相应的实现即可，不需要修改现有的工厂。

但是，这种方式有一个问题，那就是如果 Intel 家产的 CPU 和 AMD 产的主板不能兼容使用，那么这代码就容易出错，因为客户端并不知道它们不兼容，也就会错误地出现随意组合。

下面就是我们要说的产品族的概念，它代表了组成某个产品的一系列附件的集合：

当涉及到这种产品族的问题的时候，就需要抽象工厂模式来支持了。我们不再定义 CPU 工厂、主板工厂、硬盘工厂、显示屏工厂等等，我们直接定义电脑工厂，每个电脑工厂负责生产所有的设备，这样能保证肯定不存在兼容问题。

这个时候，对于客户端来说，不再需要单独挑选 CPU厂商、主板厂商、硬盘厂商等，直接选择一家品牌工厂，品牌工厂会负责生产所有的东西，而且能保证肯定是兼容可用的。
```
public static void main(String[] args) {
    // 第一步就要选定一个“大厂”
    ComputerFactory cf = new AmdFactory();
    // 从这个大厂造 CPU
    CPU cpu = cf.makeCPU();
    // 从这个大厂造主板
    MainBoard board = cf.makeMainBoard();
      // 从这个大厂造硬盘
      HardDisk hardDisk = cf.makeHardDisk();

    // 将同一个厂子出来的 CPU、主板、硬盘组装在一起
    Computer result = new Computer(cpu, board, hardDisk);
}
```
当然，抽象工厂的问题也是显而易见的，比如我们要加个显示器，就需要修改所有的工厂，给所有的工厂都加上制造显示器的方法。这有点违反了对修改关闭，对扩展开放这个设计原则。

三、原型模式

如果对象的创建成本比较大，而同一个类的不同对象之间差别不大（大部分字段都相同），在这种情况下，我们可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式，来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。这种基于原型来创建对象的方式就叫作原型设计模式，简称原型模式。
原型模式有两种实现方法，深拷贝和浅拷贝。浅拷贝只会复制对象中基本数据类型数据和引用对象的内存地址，不会递归地复制引用对象，以及引用对象的引用对象……而深拷贝得到的是一份完完全全独立的对象。所以，深拷贝比起浅拷贝来说，更加耗时，更加耗内存空间。如果要拷贝的对象是不可变对象，浅拷贝共享不可变对象是没问题的，但对于可变对象来说，浅拷贝得到的对象和原始对象会共享部分数据，就有可能出现数据被修改的风险，也就变得复杂多了。，在操作非常耗时的情况下推荐使用浅拷贝，否则，没有充分的理由，不要为了一点点的性能提升而使用浅拷贝。

java 的克隆是浅克隆，碰到对象引用的时候，克隆出来的对象和原对象中的引用将指向同一个对象。通常实现深克隆的方法是将对象进行序列化，然后再进行反序列化。

四、代理模式

什么是代理模式：它在不改变原始类（或叫被代理类）代码的情况下，通过引入代理类来给原始类附加功能。
代理模式得实现：
- 静态代理
  - 实现被代理对象口：要求被代理类和代理类同时实现相应的一套接口，通过代理类调用重写接口的方法，实际上调用的是原始对象的同样的方法。
  - 继承被代理对象：代理类继承原始类，然后扩展附加功能。
- 动态代理：在运行的时候，动态地创建原始类对应的代理类，然后在系统中用代理类替换掉原始类。
  - jdk动态代理是利用反射机制生成一个实现代理接口的匿名类，在调用具体方法前调用InvokeHandler来处理。
  - cglib动态代理是利用asm开源包，对被代理对象类的class文件加载进来，通过修改其字节码生成子类来处理。
代理模式是用一个代理来隐藏具体实现类的实现细节，通常还用于在真实的实现的前后添加一部分逻辑。

既然说是代理，那就要对客户端隐藏真实实现，由代理来负责客户端的所有请求。当然，代理只是个代理，它不会完成实际的业务逻辑，而是一层皮而已，但是对于客户端来说，它必须表现得就是客户端需要的真实实现。

public interface FoodService {
    Food makeChicken();
    Food makeNoodle();
}

public class FoodServiceImpl implements FoodService {
    public Food makeChicken() {
        Food f = new Chicken()
        f.setChicken("1kg");
        f.setSpicy("1g");
        f.setSalt("3g");
        return f;
    }
    public Food makeNoodle() {
        Food f = new Noodle();
        f.setNoodle("500g");
        f.setSalt("5g");
        return f;
    }
}

// 代理要表现得“就像是”真实实现类，所以需要实现 FoodService
public class FoodServiceProxy implements FoodService {

    // 内部一定要有一个真实的实现类，当然也可以通过构造方法注入
    private FoodService foodService = new FoodServiceImpl();

    public Food makeChicken() {
        System.out.println("我们马上要开始制作鸡肉了");

        // 如果我们定义这句为核心代码的话，那么，核心代码是真实实现类做的，
        // 代理只是在核心代码前后做些“无足轻重”的事情
        Food food = foodService.makeChicken();

        System.out.println("鸡肉制作完成啦，加点胡椒粉"); // 增强
        food.addCondiment("pepper");

        return food;
    }
    public Food makeNoodle() {
        System.out.println("准备制作拉面~");
        Food food = foodService.makeNoodle();
        System.out.println("制作完成啦")
		return food;
    }
}

客户端调用，注意，我们要用代理来实例化接口：

// 这里用代理类来实例化
FoodService foodService = new FoodServiceProxy();
foodService.makeChicken();

我们发现没有，代理模式说白了就是做 “方法包装” 或做 “方法增强”。在面向切面编程中，其实就是动态代理的过程。比如 Spring 中，我们自己不定义代理类，但是 Spring 会帮我们动态来定义代理，然后把我们定义在 @Before、@After、@Around 中的代码逻辑动态添加到代理中。

说到动态代理，又可以展开说，Spring 中实现动态代理有两种，一种是如果我们的类定义了接口，如 UserService 接口和 UserServiceImpl 实现，那么采用 JDK 的动态代理，感兴趣的读者可以去看看 java.lang.reflect.Proxy 类的源码；另一种是我们自己没有定义接口的，Spring 会采用 CGLIB 进行动态代理，它是一个 jar 包，性能还不错。

五、模板方法模式

模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架，并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。这里的“算法”，我们可以理解为广义上的“业务逻辑”，并不特指数据结构和算法中的“算法”。这里的算法骨架就是“模板”，包含算法骨架的方法就是“模板方法”，这也是模板方法模式名字的由来。
在模板模式经典的实现中，模板方法定义为 final，可以避免被子类重写。需要子类重写的方法定义为 abstract，可以强迫子类去实现。不过，在实际项目开发中，模板模式的实现比较灵活，以上两点都不是必须的。

模板模式有两大作用：复用和扩展。其中，复用指的是，所有的子类可以复用父类中提供的模板方法的代码。扩展指的是，框架通过模板模式提供功能扩展点，让框架用户可以在不修改框架源码的情况下，基于扩展点定制化框架的功能

public abstract class AbstractTemplate {
    // 这就是模板方法
    public void templateMethod() {
        init();
        apply(); // 这个是重点
        end(); // 可以作为钩子方法
    }

    protected void init() {
        System.out.println("init 抽象层已经实现，子类也可以选择覆写");
    }

    // 留给子类实现
    protected abstract void apply();

    protected void end() {
    }
}

模板方法中调用了 3 个方法，其中 apply() 是抽象方法，子类必须实现它，其实模板方法中有几个抽象方法完全是自由的，我们也可以将三个方法都设置为抽象方法，让子类来实现。也就是说，模板方法只负责定义第一步应该要做什么，第二步应该做什么，第三步应该做什么，至于怎么做，由子类来实现。

我们写一个实现类：

public class ConcreteTemplate extends AbstractTemplate {
    public void apply() {
        System.out.println("子类实现抽象方法 apply");
    }

    public void end() {
        System.out.println("我们可以把 method3 当做钩子方法来使用，需要的时候覆写就可以了");
    }
}

客户端调用演示：

public static void main(String[] args) {
    AbstractTemplate t = new ConcreteTemplate();
    // 调用模板方法
    t.templateMethod();
}

六、MVC 模式

MVC 模式代表 Model-View-Controller（模型-视图-控制器）模式。这种模式用于应用程序的分层开发。
- Model（模型） - 模型代表一个存取数据的对象或 JAVA POJO。它也可以带有逻辑，在数据变化时更新控制器。
- View（视图） - 视图代表模型包含的数据的可视化。
- Controller（控制器） - 控制器作用于模型和视图上。它控制数据流向模型对象，并在数据变化时更新视图。它使视图与模型分离开。

我们将创建一个作为模型的 Student 对象。StudentView 是一个把学生详细信息输出到控制台的视图类，StudentController 是负责存储数据到 Student 对象中的控制器类，并相应地更新视图 StudentView。

MVCPatternDemo，我们的演示类使用 StudentController 来演示 MVC 模式的用法。

创建模型

public class Student {
    private String rollNo;
    private String name;
    public String getRollNo() {
        return rollNo;
    }
    public void setRollNo(String rollNo) {
        this.rollNo = rollNo;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

创建视图

public class StudentView {
   public void printStudentDetails(String studentName, String studentRollNo){
      System.out.println("Student: ");
      System.out.println("Name: " + studentName);
      System.out.println("Roll No: " + studentRollNo);
   }
}

创建控制器

public class StudentController {
   private Student model;
   private StudentView view;
 
   public StudentController(Student model, StudentView view){
      this.model = model;
      this.view = view;
   }
 
   public void setStudentName(String name){
      model.setName(name);    
   }
 
   public String getStudentName(){
      return model.getName();    
   }
 
   public void setStudentRollNo(String rollNo){
      model.setRollNo(rollNo);      
   }
 
   public String getStudentRollNo(){
      return model.getRollNo();     
   }
 
   public void updateView(){           
      view.printStudentDetails(model.getName(), model.getRollNo());
   }  
}

使用 StudentController 方法来演示 MVC 设计模式的用法

public class MVCPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      //从数据库获取学生记录
      Student model  = retrieveStudentFromDatabase();
 
      //创建一个视图：把学生详细信息输出到控制台
      StudentView view = new StudentView();
 
      StudentController controller = new StudentController(model, view);
 
      controller.updateView();
 
      //更新模型数据
      controller.setStudentName("John");
 
      controller.updateView();
   }
 
   private static Student retrieveStudentFromDatabase(){
      Student student = new Student();
      student.setName("Robert");
      student.setRollNo("10");
      return student;
   }
}

执行程序，输出结果

Student: 
Name: Robert
Roll No: 10
Student: 
Name: John
Roll No: 10

极客时间设计模式之美

Javadoop设计模式

菜鸟教程设计模式

posted @ 2022-06-08 09:56 Maple~ 阅读(30) 评论(0) 编辑收藏举报

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帅枫

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