面向对象-设计模式-创建型
面向对象-设计模式-创建型
晴川历历汉阳树,芳草萋萋鹦鹉洲。
简介:面向对象-设计模式-创建型。
一、概述
何谓设计模式:
设计模式(Design Pattern)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结。
设计模式的好处&学习目的:
1、为了代码可重用行、让代码更易被他人理解、保证代码的可靠性、使代码编写真正实现工程化;
2、设计模式便于我们维护项目,增强系统的健壮性和可扩展性;
3、设计模式还可以锻炼码农的设计思维、升华代码质量等。
二、创建型
单例模式、简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、生成器模式、原型模式。
1、单例(Singleton)
单例模式参考链接:https://www.cnblogs.com/taojietaoge/p/10336439.html
Intent
确保一个类只有一个实例,并提供该实例的全局访问点。
Class Diagram
使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。
私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例,只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。
Implementation
Ⅰ 懒汉式-线程不安全
以下实现中,私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化,这样做的好处是,如果没有用到该类,那么就不会实例化 uniqueInstance,从而节约资源。
这个实现在多线程环境下是不安全的,如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null)
,并且此时 uniqueInstance 为 null,那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton();
语句,这将导致实例化多次 uniqueInstance。
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 // 懒汉模式-线程不安全
2 public class Singleton {
3
4 private static Singleton uniqueInstance;
5
6 private Singleton() {
7 }
8
9 public static Singleton getUniqueInstance() {
10 if (uniqueInstance == null) {
11 uniqueInstance = new Singleton();
12 }
13 return uniqueInstance;
14 }
15 }
Ⅱ 饿汉式-线程安全
线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化多次,采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。
但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 // 饿汉模式
2 public class Singleton {
3
4 private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
5
6 private Singleton() {
7 }
8
9 public static Singleton getUniqueInstance() {
10 return uniqueInstance;
11 }
12 }
Ⅲ 懒汉式-线程安全
只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁,那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法,从而避免了实例化多次 uniqueInstance。
但是当一个线程进入该方法之后,其它试图进入该方法的线程都必须等待,即使 uniqueInstance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长,因此该方法有性能问题,不推荐使用。
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 // 懒汉模式-线程安全方法
2 public class Singleton {
3
4 private static Singleton uniqueInstance;
5
6 private Singleton() {
7 }
8
9 public static synchronized Singleton getUniqueInstance() { // synchronized 加锁
10 if (uniqueInstance == null) {
11 uniqueInstance = new Singleton();
12 }
13 return uniqueInstance;
14 }
15 }
Ⅳ 双重校验锁-线程安全
uniqueInstance 只需要被实例化一次,之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行,只有当 uniqueInstance 没有被实例化时,才需要进行加锁。
双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化,如果没有被实例化,那么才对实例化语句进行加锁。
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 // 双重校验锁
2 public class Singleton {
3
4 private volatile static Singleton uniqueInstance; // 使用 volatile 关键字修饰,禁止JVM 指令重排序
5
6 private Singleton() {
7 }
8
9 public static Singleton getUniqueInstance() {
10 if (uniqueInstance == null) {
11 synchronized (Singleton.class) { // synchronized 对实例化语句加锁
12 if (uniqueInstance == null) {
13 uniqueInstance = new Singleton();
14 }
15 }
16 }
17 return uniqueInstance;
18 }
19 }
考虑下面的实现,也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下,如果两个线程都执行了 if 语句,那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作,但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton();
这条语句,只是先后的问题,那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁,也就是需要使用两个 if 语句:第一个 if 语句用来避免 uniqueInstance 已经被实例化之后的加锁操作,而第二个 if 语句进行了加锁,所以只能有一个线程进入,就不会出现 uniqueInstance == null 时两个线程同时进行实例化操作。
1 if (uniqueInstance == null) {
2 synchronized (Singleton.class) { // 如果两个线程都执行了 if 语句
3 uniqueInstance = new Singleton();
4 }
5 }
uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的, uniqueInstance = new Singleton();
这段代码其实是分为三步执行:
- 为 uniqueInstance 分配内存空间
- 初始化 uniqueInstance
- 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址
但是由于 JVM 具有指令重排的特性,执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题,但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如,线程 T1 执行了 1 和 3,此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空,因此返回 uniqueInstance,但此时 uniqueInstance 还未被初始化。
使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排,保证在多线程环境下也能正常运行。
volatile 如何保证禁止指令重排序参考链接:https://www.cnblogs.com/taojietaoge/p/10260888.html
Ⅴ 静态内部类实现
当 Singleton 类被加载时,静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance()
方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE
时 SingletonHolder 才会被加载,此时初始化 INSTANCE 实例,并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。
这种方式不仅具有延迟初始化的好处,而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。
Ⅵ 枚举实现
1 使用枚举类实现单例的好处:写法简单、默认线程安全、反序列化(反射、克隆)时也不会创建新的对象。
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 // 枚举类实现单例
2 public enum Singleton {
3
4 INSTANCE;
5
6 private String objName;
7
8
9 public String getObjName() {
10 return objName;
11 }
12
13
14 public void setObjName(String objName) {
15 this.objName = objName;
16 }
17
18
19 public static void main(String[] args) {
20
21 // 单例测试
22 Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
23 firstSingleton.setObjName("firstName");
24 System.out.println(firstSingleton.getObjName());
25 Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
26 secondSingleton.setObjName("secondName");
27 System.out.println(firstSingleton.getObjName());
28 System.out.println(secondSingleton.getObjName());
29
30 // 反射获取实例测试
31 try {
32 Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
33 for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
34 System.out.println(enumConstant.getObjName());
35 }
36 } catch (Exception e) {
37 e.printStackTrace();
38 }
39 }
40 }
1 输出:
2 firstName
3 secondName
4 secondName
5 secondName
该实现可以防止反射攻击。在其它实现中,通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public,然后调用构造函数从而实例化对象,如果要防止这种攻击,需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次,因此不会出现上述的反射攻击。
该实现在多次序列化和序列化之后,不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段,并且实现序列化和反序列化的方法。
单例小结
最佳的单例实现模式就是枚举模式。利用枚举的特性,让JVM 来帮我们保证线程安全和单一实例。
2、简单工厂(Simple Factory)
Intent
在创建一个对象时不向客户暴露内部细节,并提供一个创建对象的通用接口。
Class Diagram
简单工厂把实例化的操作单独放到一个类中,这个类就成为简单工厂类,让简单工厂类来决定应该用哪个具体子类来实例化。
这样做能把客户类和具体子类的实现解耦,客户类不再需要知道有哪些子类以及应当实例化哪个子类。客户类往往有多个,如果不使用简单工厂,那么所有的客户类都要知道所有子类的细节。而且一旦子类发生改变,例如增加子类,那么所有的客户类都要进行修改。
Implementation
1 public interface Product {
2 }
1 public class ConcreteProduct implements Product {
2 }
1 public class ConcreteProduct1 implements Product {
2 }
public class ConcreteProduct2 implements Product {
}
以下的 Client 类包含了实例化的代码,这是一种错误的实现。如果在客户类中存在这种实例化代码,就需要考虑将代码放到简单工厂中。
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 // 错误实现
2 public class Client {
3
4 public static void main(String[] args) {
5 int type = 1;
6 Product product;
7 if (type == 1) {
8 product = new ConcreteProduct1();
9 } else if (type == 2) {
10 product = new ConcreteProduct2();
11 } else {
12 product = new ConcreteProduct();
13 }
14 // do what u want to do
15 }
16 }
以下的 SimpleFactory 是简单工厂实现,它被所有需要进行实例化的客户类调用。
1 public class SimpleFactory {
2
3 public Product createProduct(int type) {
4 if (type == 1) { // 也可以用switch 当对象类型太多
5 return new ConcreteProduct1();
6 } else if (type == 2) {
7 return new ConcreteProduct2();
8 }
9 return new ConcreteProduct();
10 }
11 }
1 public class Client {
2 public static void main(String[] args) {
3 SimpleFactory simpleFactory = new SimpleFactory();
4 // 只需要传一个类型参数,实例化具体对象
5 Product product1 = simpleFactory.createProduct(1);
6 Product product2 = simpleFactory.createProduct(2);
7 }
8 }
3、工厂方法(Factory Method)
Intent
定义了一个创建对象的接口,但由子类决定要实例化哪个类。工厂方法把实例化操作推迟到子类。
Class Diagram
在简单工厂中,创建对象的是另一个类,而在工厂方法中,是由子类来创建对象。
下图中,Factory 有一个 doSomething() 方法,这个方法需要用到一个产品对象,这个产品对象由 factoryMethod() 方法创建。该方法是抽象的,需要由子类去实现。
Implementation
1 public abstract class Factory {
2 abstract public Product factoryMethod(); // 抽象方法,由子类去实现
3 public void doSomething() {
4 Product product = factoryMethod();
5 // do something with the product
6 }
7 }
1 public class ConcreteFactory extends Factory {
2 public Product factoryMethod() {
3 return new ConcreteProduct();
4 }
5 }
1 public class ConcreteFactory1 extends Factory {
2 public Product factoryMethod() {
3 return new ConcreteProduct1();
4 }
5 }
1 public class ConcreteFactory2 extends Factory {
2 public Product factoryMethod() {
3 return new ConcreteProduct2(); // 由子类来创建对象
4 }
5 }
4、抽象工厂(Abstract Factory)
Intent
提供一个接口,用于创建 相关的对象家族 。
Class Diagram
抽象工厂模式创建的是对象家族,也就是很多对象而不是一个对象,并且这些对象是相关的,也就是说必须一起创建出来。而工厂方法模式只是用于创建一个对象,这和抽象工厂模式有很大不同。
抽象工厂模式用到了工厂方法模式来创建单一对象,AbstractFactory 中的 createProductA() 和 createProductB() 方法都是让子类来实现,这两个方法单独来看就是在创建一个对象,这符合工厂方法模式的定义。
至于创建对象的家族这一概念是在 Client 体现,Client 要通过 AbstractFactory 同时调用两个方法来创建出两个对象,在这里这两个对象就有很大的相关性,Client 需要同时创建出这两个对象。
从高层次来看,抽象工厂使用了组合,即 Cilent 组合了 AbstractFactory,而工厂方法模式使用了继承。
Implementation
1 public class AbstractProductA {
2 }
1 public class AbstractProductB {
2 }
1 public class ProductA1 extends AbstractProductA {
2 }
1 public class ProductA2 extends AbstractProductA {
2 }
1 public class ProductB1 extends AbstractProductB {
2 }
1 public class ProductB2 extends AbstractProductB {
2 }
1 public abstract class AbstractFactory {
2 abstract AbstractProductA createProductA();
3 abstract AbstractProductB createProductB();
4 }
1 public class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory {
2 AbstractProductA createProductA() {
3 return new ProductA1();
4 }
5
6 AbstractProductB createProductB() {
7 return new ProductB1();
8 }
9 }
1 public class ConcreteFactory2 extends AbstractFactory {
2 AbstractProductA createProductA() {
3 return new ProductA2();
4 }
5
6 AbstractProductB createProductB() {
7 return new ProductB2();
8 }
9 }
1 public class Client {
2 public static void main(String[] args) {
3 AbstractFactory abstractFactory = new ConcreteFactory1();
4 AbstractProductA productA = abstractFactory.createProductA();
5 AbstractProductB productB = abstractFactory.createProductB();
6 // do something with productA and productB
7 }
8 }
6、生成器(Builder)
Intent
封装一个对象的构造过程,并允许按步骤构造。
Class Diagram
Implementation
以下是一个简易的 StringBuilder 实现,参考了 JDK 1.8 源码。
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 public class AbstractStringBuilder {
2 protected char[] value;
3
4 protected int count;
5
6 public AbstractStringBuilder(int capacity) {
7 count = 0;
8 value = new char[capacity];
9 }
10
11 public AbstractStringBuilder append(char c) {
12 ensureCapacityInternal(count + 1);
13 value[count++] = c;
14 return this;
15 }
16
17 private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
18 // overflow-conscious code
19 if (minimumCapacity - value.length > 0)
20 expandCapacity(minimumCapacity);
21 }
22
23 void expandCapacity(int minimumCapacity) {
24 int newCapacity = value.length * 2 + 2;
25 if (newCapacity - minimumCapacity < 0)
26 newCapacity = minimumCapacity;
27 if (newCapacity < 0) {
28 if (minimumCapacity < 0) // overflow
29 throw new OutOfMemoryError();
30 newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
31 }
32 value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
33 }
34 }
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 public class StringBuilder extends AbstractStringBuilder {
2 public StringBuilder() {
3 super(16);
4 }
5
6 @Override
7 public String toString() {
8 // Create a copy, don't share the array
9 return new String(value, 0, count);
10 }
11 }
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 public class Client {
2 public static void main(String[] args) {
3 StringBuilder sb = new StringBuilder();
4 final int count = 26;
5 for (int i = 0; i < count; i++) {
6 sb.append((char) ('a' + i));
7 }
8 System.out.println(sb.toString());
9 }
10 }
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
6、原型模式(Prototype)
Intent
使用原型实例指定要创建对象的类型,通过复制这个原型来创建新对象。
Class Diagram
Implementation
1 public abstract class Prototype {
2 abstract Prototype myClone();
3 }
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
1 public class ConcretePrototype extends Prototype {
2
3 private String filed;
4
5 public ConcretePrototype(String filed) {
6 this.filed = filed;
7 }
8
9 @Override
10 Prototype myClone() {
11 return new ConcretePrototype(filed);
12 }
13
14 @Override
15 public String toString() {
16 return filed;
17 }
18 }
1 public class Client {
2 public static void main(String[] args) {
3 Prototype prototype = new ConcretePrototype("abc");
4 Prototype clone = prototype.myClone();
5 System.out.println(clone.toString()); // abc
6 }
7 }
晴川历历汉阳树
芳草萋萋鹦鹉洲