設計模式(Design Patterns)java
——可複用面向對象軟件的基礎程序員
設計模式(Design pattern)是一套被反覆使用、多數人知曉的、通過分類編目的、代碼設計經驗的總結。使用設計模式是爲了可重用代碼、讓代碼更容易被他人理解、保證代碼可靠性。 毫無疑問,設計模式於己於他人於系統都是多贏的,設計模式使代碼編制真正工程化,設計模式是軟件工程的基石,如同大廈的一塊塊磚石同樣。項目中合理的運用設計模式能夠完美的解決不少問題,每種模式在如今中都有相應的原理來與之對應,每個模式描述了一個在咱們周圍不斷重複發生的問題,以及該問題的核心解決方案,這也是它能被普遍應用的緣由。本章系Java之美[從菜鳥到高手演變]系列之設計模式,咱們會以理論與實踐相結合的方式來進行本章的學習,但願廣大程序愛好者,學好設計模式,作一個優秀的軟件工程師!編程
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1、設計模式的分類服務器
整體來講設計模式分爲三大類:網絡
建立型模式,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。多線程
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。閉包
行爲型模式,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。
其實還有兩類:併發型模式和線程池模式。用一個圖片來總體描述一下:
2、設計模式的六大原則
一、開閉原則(Open Close Principle)
開閉原則就是說對擴展開放,對修改關閉。在程序須要進行拓展的時候,不能去修改原有的代碼,實現一個熱插拔的效果。因此一句話歸納就是:爲了使程序的擴展性好,易於維護和升級。想要達到這樣的效果,咱們須要使用接口和抽象類,後面的具體設計中咱們會提到這點。
二、里氏代換原則(Liskov Substitution Principle)
里氏代換原則(Liskov Substitution Principle LSP)面向對象設計的基本原則之一。 里氏代換原則中說,任何基類能夠出現的地方,子類必定能夠出現。 LSP是繼承複用的基石,只有當衍生類能夠替換掉基類,軟件單位的功能不受到影響時,基類才能真正被複用,而衍生類也可以在基類的基礎上增長新的行爲。里氏代換原則是對「開-閉」原則的補充。實現「開-閉」原則的關鍵步驟就是抽象化。而基類與子類的繼承關係就是抽象化的具體實現,因此里氏代換原則是對實現抽象化的具體步驟的規範。—— From Baidu 百科
三、依賴倒轉原則(Dependence Inversion Principle)
這個是開閉原則的基礎,具體內容:真對接口編程,依賴於抽象而不依賴於具體。
四、接口隔離原則(Interface Segregation Principle)
這個原則的意思是:使用多個隔離的接口,比使用單個接口要好。仍是一個下降類之間的耦合度的意思,從這兒咱們看出,其實設計模式就是一個軟件的設計思想,從大型軟件架構出發,爲了升級和維護方便。因此上文中屢次出現:下降依賴,下降耦合。
五、迪米特法則(最少知道原則)(Demeter Principle)
爲何叫最少知道原則,就是說:一個實體應當儘可能少的與其餘實體之間發生相互做用,使得系統功能模塊相對獨立。
六、合成複用原則(Composite Reuse Principle)
原則是儘可能使用合成/聚合的方式,而不是使用繼承。
3、Java的23中設計模式
從這一塊開始,咱們詳細介紹Java中23種設計模式的概念,應用場景等狀況,並結合他們的特色及設計模式的原則進行分析。
一、工廠方法模式(Factory Method)
工廠方法模式分爲三種:
十一、普通工廠模式,就是創建一個工廠類,對實現了同一接口的一些類進行實例的建立。首先看下關係圖:
舉例以下:(咱們舉一個發送郵件和短信的例子)
首先,建立兩者的共同接口:
public interface Sender { public void Send(); }
其次,建立實現類:
public class MailSender implements Sender { @Override public void Send() { System.out.println("this is mailsender!"); } }
public class SmsSender implements Sender { @Override public void Send() { System.out.println("this is sms sender!"); } }
最後,建工廠類:
public class SendFactory { public Sender produce(String type) { if ("mail".equals(type)) { return new MailSender(); } else if ("sms".equals(type)) { return new SmsSender(); } else { System.out.println("請輸入正確的類型!"); return null; } } }
咱們來測試下:
public class FactoryTest { public static void main(String[] args) { SendFactory factory = new SendFactory(); Sender sender = factory.produce("sms"); sender.Send(); } }
輸出:this is sms sender!
2二、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,若是傳遞的字符串出錯,則不能正確建立對象,而多個工廠方法模式是提供多個工廠方法,分別建立對象。關係圖:
將上面的代碼作下修改,改動下SendFactory類就行,以下:
public class SendFactory { public Sender produceMail(){ return new MailSender(); } public Sender produceSms(){ return new SmsSender(); } }
測試類以下:
public class FactoryTest { public static void main(String[] args) { SendFactory factory = new SendFactory(); Sender sender = factory.produceMail(); sender.Send(); } }
輸出:this is mailsender!
3三、靜態工廠方法模式,將上面的多個工廠方法模式裏的方法置爲靜態的,不須要建立實例,直接調用便可。
public class SendFactory { public static Sender produceMail(){ return new MailSender(); } public static Sender produceSms(){ return new SmsSender(); } }
public class FactoryTest { public static void main(String[] args) { Sender sender = SendFactory.produceMail(); sender.Send(); } }
輸出:this is mailsender!
整體來講,工廠模式適合:凡是出現了大量的產品須要建立,而且具備共同的接口時,能夠經過工廠方法模式進行建立。在以上的三種模式中,第一種若是傳入的字符串有誤,不能正確建立對象,第三種相對於第二種,不須要實例化工廠類,因此,大多數狀況下,咱們會選用第三種——靜態工廠方法模式。
二、抽象工廠模式(Abstract Factory)
工廠方法模式有一個問題就是,類的建立依賴工廠類,也就是說,若是想要拓展程序,必須對工廠類進行修改,這違背了閉包原則,因此,從設計角度考慮,有必定的問題,如何解決?就用到抽象工廠模式,建立多個工廠類,這樣一旦須要增長新的功能,直接增長新的工廠類就能夠了,不須要修改以前的代碼。由於抽象工廠不太好理解,咱們先看看圖,而後就和代碼,就比較容易理解。
請看例子:
public interface Sender { public void Send(); }
兩個實現類:
public class MailSender implements Sender { @Override public void Send() { System.out.println("this is mailsender!"); } }
public class SmsSender implements Sender { @Override public void Send() { System.out.println("this is sms sender!"); } }
兩個工廠類:
public class SendMailFactory implements Provider { @Override public Sender produce(){ return new MailSender(); } }
public class SendSmsFactory implements Provider{ @Override public Sender produce() { return new SmsSender(); } }
在提供一個接口:
public interface Provider { public Sender produce(); }
測試類:
public class Test { public static void main(String[] args) { Provider provider = new SendMailFactory(); Sender sender = provider.produce(); sender.Send(); } }
其實這個模式的好處就是,若是你如今想增長一個功能:發及時信息,則只需作一個實現類,實現Sender接口,同時作一個工廠類,實現Provider接口,就OK了,無需去改動現成的代碼。這樣作,拓展性較好!
三、單例模式(Singleton)
單例對象(Singleton)是一種經常使用的設計模式。在Java應用中,單例對象能保證在一個JVM中,該對象只有一個實例存在。這樣的模式有幾個好處:
一、某些類建立比較頻繁,對於一些大型的對象,這是一筆很大的系統開銷。
二、省去了new操做符,下降了系統內存的使用頻率,減輕GC壓力。
三、有些類如交易所的核心交易引擎,控制着交易流程,若是該類能夠建立多個的話,系統徹底亂了。(好比一個軍隊出現了多個司令員同時指揮,確定會亂成一團),因此只有使用單例模式,才能保證核心交易服務器獨立控制整個流程。
首先咱們寫一個簡單的單例類:
public class Singleton { /* 持有私有靜態實例,防止被引用,此處賦值爲null,目的是實現延遲加載 */ private static Singleton instance = null; /* 私有構造方法,防止被實例化 */ private Singleton() { } /* 靜態工程方法,建立實例 */ public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; } /* 若是該對象被用於序列化,能夠保證對象在序列化先後保持一致 */ public Object readResolve() { return instance; } }
這個類能夠知足基本要求,可是,像這樣毫無線程安全保護的類,若是咱們把它放入多線程的環境下,確定就會出現問題了,如何解決?咱們首先會想到對getInstance方法加synchronized關鍵字,以下:
public static synchronized Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; }
可是,synchronized關鍵字鎖住的是這個對象,這樣的用法,在性能上會有所降低,由於每次調用getInstance(),都要對對象上鎖,事實上,只有在第一次建立對象的時候須要加鎖,以後就不須要了,因此,這個地方須要改進。咱們改爲下面這個:
public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (instance) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } } } return instance; }
彷佛解決了以前提到的問題,將synchronized關鍵字加在了內部,也就是說當調用的時候是不須要加鎖的,只有在instance爲null,並建立對象的時候才須要加鎖,性能有必定的提高。可是,這樣的狀況,仍是有可能有問題的,看下面的狀況:在Java指令中建立對象和賦值操做是分開進行的,也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執行的。可是JVM並不保證這兩個操做的前後順序,也就是說有可能JVM會爲新的Singleton實例分配空間,而後直接賦值給instance成員,而後再去初始化這個Singleton實例。這樣就可能出錯了,咱們以A、B兩個線程爲例:
a>A、B線程同時進入了第一個if判斷
b>A首先進入synchronized塊,因爲instance爲null,因此它執行instance = new Singleton();
c>因爲JVM內部的優化機制,JVM先畫出了一些分配給Singleton實例的空白內存,並賦值給instance成員(注意此時JVM沒有開始初始化這個實例),而後A離開了synchronized塊。
d>B進入synchronized塊,因爲instance此時不是null,所以它立刻離開了synchronized塊並將結果返回給調用該方法的程序。
e>此時B線程打算使用Singleton實例,卻發現它沒有被初始化,因而錯誤發生了。
因此程序仍是有可能發生錯誤,其實程序在運行過程是很複雜的,從這點咱們就能夠看出,尤爲是在寫多線程環境下的程序更有難度,有挑戰性。咱們對該程序作進一步優化:
private static class SingletonFactory{ private static Singleton instance = new Singleton(); } public static Singleton getInstance(){ return SingletonFactory.instance; }
實際狀況是,單例模式使用內部類來維護單例的實現,JVM內部的機制可以保證當一個類被加載的時候,這個類的加載過程是線程互斥的。這樣當咱們第一次調用getInstance的時候,JVM可以幫咱們保證instance只被建立一次,而且會保證把賦值給instance的內存初始化完畢,這樣咱們就不用擔憂上面的問題。同時該方法也只會在第一次調用的時候使用互斥機制,這樣就解決了低性能問題。這樣咱們暫時總結一個完美的單例模式:
public class Singleton { /* 私有構造方法,防止被實例化 */ private Singleton() { } /* 此處使用一個內部類來維護單例 */ private static class SingletonFactory { private static Singleton instance = new Singleton(); } /* 獲取實例 */ public static Singleton getInstance() { return SingletonFactory.instance; } /* 若是該對象被用於序列化,能夠保證對象在序列化先後保持一致 */ public Object readResolve() { return getInstance(); } }
其實說它完美,也不必定,若是在構造函數中拋出異常,實例將永遠得不到建立,也會出錯。因此說,十分完美的東西是沒有的,咱們只能根據實際狀況,選擇最適合本身應用場景的實現方法。也有人這樣實現:由於咱們只須要在建立類的時候進行同步,因此只要將建立和getInstance()分開,單獨爲建立加synchronized關鍵字,也是能夠的:
public class SingletonTest { private static SingletonTest instance = null; private SingletonTest() { } private static synchronized void syncInit() { if (instance == null) { instance = new SingletonTest(); } } public static SingletonTest getInstance() { if (instance == null) { syncInit(); } return instance; } }
考慮性能的話,整個程序只需建立一次實例,因此性能也不會有什麼影響。
補充:採用"影子實例"的辦法爲單例對象的屬性同步更新
public class SingletonTest { private static SingletonTest instance = null; private Vector properties = null; public Vector getProperties() { return properties; } private SingletonTest() { } private static synchronized void syncInit() { if (instance == null) { instance = new SingletonTest(); } } public static SingletonTest getInstance() { if (instance == null) { syncInit(); } return instance; } public void updateProperties() { SingletonTest shadow = new SingletonTest(); properties = shadow.getProperties(); } }
經過單例模式的學習告訴咱們:
一、單例模式理解起來簡單,可是具體實現起來仍是有必定的難度。
二、synchronized關鍵字鎖定的是對象,在用的時候,必定要在恰當的地方使用(注意須要使用鎖的對象和過程,可能有的時候並非整個對象及整個過程都須要鎖)。
到這兒,單例模式基本已經講完了,結尾處,筆者忽然想到另外一個問題,就是採用類的靜態方法,實現單例模式的效果,也是可行的,此處兩者有什麼不一樣?
首先,靜態類不能實現接口。(從類的角度說是能夠的,可是那樣就破壞了靜態了。由於接口中不容許有static修飾的方法,因此即便實現了也是非靜態的)
其次,單例能夠被延遲初始化,靜態類通常在第一次加載是初始化。之因此延遲加載,是由於有些類比較龐大,因此延遲加載有助於提高性能。
再次,單例類能夠被繼承,他的方法能夠被覆寫。可是靜態類內部方法都是static,沒法被覆寫。
最後一點,單例類比較靈活,畢竟從實現上只是一個普通的Java類,只要知足單例的基本需求,你能夠在裏面爲所欲爲的實現一些其它功能,可是靜態類不行。從上面這些歸納中,基本能夠看出兩者的區別,可是,從另外一方面講,咱們上面最後實現的那個單例模式,內部就是用一個靜態類來實現的,因此,兩者有很大的關聯,只是咱們考慮問題的層面不一樣罷了。兩種思想的結合,才能造就出完美的解決方案,就像HashMap採用數組+鏈表來實現同樣,其實生活中不少事情都是這樣,單用不一樣的方法來處理問題,老是有優勢也有缺點,最完美的方法是,結合各個方法的優勢,才能最好的解決問題!
四、建造者模式(Builder)
工廠類模式提供的是建立單個類的模式,而建造者模式則是將各類產品集中起來進行管理,用來建立複合對象,所謂複合對象就是指某個類具備不一樣的屬性,其實建造者模式就是前面抽象工廠模式和最後的Test結合起來獲得的。咱們看一下代碼:
還和前面同樣,一個Sender接口,兩個實現類MailSender和SmsSender。最後,建造者類以下:
public class Builder { private List<Sender> list = new ArrayList<Sender>(); public void produceMailSender(int count){ for(int i=0; i<count; i++){ list.add(new MailSender()); } } public void produceSmsSender(int count){ for(int i=0; i<count; i++){ list.add(new SmsSender()); } } }
測試類:
public class Test { public static void main(String[] args) { Builder builder = new Builder(); builder.produceMailSender(10); } }
從這點看出,建造者模式將不少功能集成到一個類裏,這個類能夠創造出比較複雜的東西。因此與工程模式的區別就是:工廠模式關注的是建立單個產品,而建造者模式則關注建立符合對象,多個部分。所以,是選擇工廠模式仍是建造者模式,依實際狀況而定。
五、原型模式(Prototype)
原型模式雖然是建立型的模式,可是與工程模式沒有關係,從名字便可看出,該模式的思想就是將一個對象做爲原型,對其進行復制、克隆,產生一個和原對象相似的新對象。本小結會經過對象的複製,進行講解。在Java中,複製對象是經過clone()實現的,先建立一個原型類:
public class Prototype implements Cloneable { public Object clone() throws CloneNotSupportedException { Prototype proto = (Prototype) super.clone(); return proto; } }
很簡單,一個原型類,只須要實現Cloneable接口,覆寫clone方法,此處clone方法能夠改爲任意的名稱,由於Cloneable接口是個空接口,你能夠任意定義實現類的方法名,如cloneA或者cloneB,由於此處的重點是super.clone()這句話,super.clone()調用的是Object的clone()方法,而在Object類中,clone()是native的,具體怎麼實現,我會在另外一篇文章中,關於解讀Java中本地方法的調用,此處再也不深究。在這兒,我將結合對象的淺複製和深複製來講一下,首先須要瞭解對象深、淺複製的概念:
淺複製:將一個對象複製後,基本數據類型的變量都會從新建立,而引用類型,指向的仍是原對象所指向的。
深複製:將一個對象複製後,不管是基本數據類型還有引用類型,都是從新建立的。簡單來講,就是深複製進行了徹底完全的複製,而淺複製不完全。
此處,寫一個深淺複製的例子:
public class Prototype implements Cloneable, Serializable { private static final long serialVersionUID = 1L; private String string; private SerializableObject obj; /* 淺複製 */ public Object clone() throws CloneNotSupportedException { Prototype proto = (Prototype) super.clone(); return proto; } /* 深複製 */ public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException { /* 寫入當前對象的二進制流 */ ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream(); ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos); oos.writeObject(this); /* 讀出二進制流產生的新對象 */ ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis); return ois.readObject(); } public String getString() { return string; } public void setString(String string) { this.string = string; } public SerializableObject getObj() { return obj; } public void setObj(SerializableObject obj) { this.obj = obj; } } class SerializableObject implements Serializable { private static final long serialVersionUID = 1L; }
要實現深複製,須要採用流的形式讀入當前對象的二進制輸入,再寫出二進制數據對應的對象。
因爲文章篇幅較長,爲了更好的方便讀者閱讀,我將接下了的其它介紹放在另外一篇文章中(也許會分兩篇來),感謝你們提出寶貴的意見和建議!
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