java中设计模式的使用(持续更新中)
概述
设计模式的目的:编写软件过程中,程序员面临着来自耦合性,内聚性以及可维护性,可扩展性,重用性,灵活性等多方面的挑战,设计模式是为了让程序(软件),具有更好的
- 代码重用性(相同功能的代码,不用多次编写)
- 可读性(编程规范性,便于其他程序员的阅读和理解)
- 可扩展性(当需要增加新的功能时,非常的方便,也叫可维护性)
- 可靠性(当我们增加新的功能后,对原来的功能没用影响)
- 使程序呈现高内聚,低耦合的特性
设计模式的七大原则:
- 单一职责原则
- 对类来说,及一个类应该只负责一项职责。如类A负责两个不同的职责:职责1,职责2。当职责1需求变更而改变A时,可能造成职责2执行错误,所以需要将类A的粒度分解为A1,A2。(例如一个UserDao,同时操作user表和order表,因此需要将UserDao拆分为UserDao和OrderDao)
- 单一职责原则注意事项和细节
-
- 降低类的复杂度,一个类只负责一项职责
- 提高类的可读性,可维护性
- 降低变更引起的风险
- 通常情况下,我们应当遵守单一职责原则,只有逻辑足够简单,才可以在代码级违反单一职责原则;只有类中方法数量足够少,可以在方法级别保持单一职责原则
- 接口隔离原则
- 客户端不应该依赖它不需要的接口,即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。
- 依赖倒转原则
- 高层模块不应该依赖底层模块,二者都应该依赖其抽象
- 抽象不应该依赖细节,细节应该依赖抽象
- 依赖倒转的中心思想是面向接口编程
- 依赖倒转原则是基于这样的设计理念:相对于细节的多变性,抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建的架构比以细节为基础的框架要稳定的多。在java中,抽象指的是接口或抽象类,细节就是具体的实现
- 使用接口或抽象类的目的是制定好规范,而不涉及任何具体的操作,把展现细节的任务交给他们的实现类去完成
- 里氏替换原则
- 继承包含这样一层含义:父类中凡是已经实现好的方法,实际上是在设定规范和契约,虽然它不强制要求所有的子类必须遵循这些契约,但是如果子类对这些已经实现的方法任意修改,就会对整个继承体系造成破坏。
- 继承在给程序设计带来遍历的同时,也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性。程序的可移植性降低,增加对象间的耦合性,如果一个类被其他的类所继承,则当这个类需要修改时,必须考虑到所有的子类,并且修改后,所有设计到子类的功能都有可能产生故障。
- 开闭原则ocp(开闭原则,工厂模式)
- 开闭原则(Open Closed Principle)是编程中最基础、最重要的设计原则
- 一个软件实体如类,模块和函数应该对扩展开放(针对提供方),对修改关闭(针对使用方)用抽象构建框架,用实现扩展细节
- 当软件需要变化时,尽量通过扩展软件实体的行为来实现变化,而不是通过修改已有的代码来实现变化。
- 编程中遵循其他原则,以及使用设计模式的目的就是遵循开闭原则
- 迪米特法则
- 一个对象应该对其他对象保持最少的了解
- 类与类关系越密切,耦合度越大
- 迪米特法则,又叫最少知道原则,即一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说,对于被依赖的类不管多么的复杂,都尽量将逻辑封装在类的内部。对外除了提供的public方法,不对外泄漏任务信息
- 迪米特法则还有哥更简单的定义:只与直接的朋友通信。(直接朋友:每个对象都会与其他对象有耦合关系,我们就说这两个对象之间是朋友关系。耦合的方式很多,依赖,关联,组合,聚合等。其中,我们称出现成员变量,方法参数,方法返回值中的类为直接的朋友,而出现在局部变量中的类不是直接的朋友。也就是说,陌生的类最好不要以局部变量的形式出现在类的内部)
- 合成复用原则
- 原则是尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承
设计模式分为三种类型
- 创建型模式:单例模式、抽象工厂模式、原型模式、建造者模式、工厂模式
- 结构型模式:适配器模式、桥接模式、装饰者模式、组合模式、外观模式、享元模式、代理模式
- 行为型模式:模板方法模式、命令模式、访问者模式、迭代器模式、观察者模式、中介者模式、备忘录模式、解释器模式、状态模式、策略模式、责任链模式
1.单例模式
所谓类得单例设计模式、就是采取一定得方法保证在整个的软件系统中,对某个类只能存在一个对象实例,并且该类只提供一个取得对象实例的方法(一般静态方法)。
- 单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象,节省了系统资源,对于一些需要频繁创建销毁的对象,使用单例模式可以提高系统性能
- 当想实例化一个单例类时候,必须要记住使用相应的获取对象的方法,而不是使用new
- 单例模式使用的场景:需要频繁的进行创建和销毁的对象,创建对象时耗时过多或消耗资源过多(即:重量级对象),但又经常用到的对象,工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session工厂等)
单例模式有八种方式:
- 饿汉式(静态常量)
- 饿汉式(静态代码块)
- 懒汉式(线程不安全)
- 懒汉式(线程安全,同步方法)
- 懒汉式(线程安全,同步代码块)
- 双重检查
- 静态内部类
- 枚举
步骤:构造方法私有化,提供一个公共的方法供外部获取对象
饿汉式(静态常量)
优点:在类装载的时候就完成实例化,避免了线程同步问题
缺点:从未使用过这个实例,造成内存浪费
public class Singleton {
private static final Singleton instance = new Singleton();
//构造方法私有化
private Singleton(){}
//公共方法获取实例
public static Singleton getInstance(){
return instance;
}
}
饿汉式(静态代码块)
public class Singleton {
private static Singleton instance;
static {
instance = new Singleton();
}
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance(){
return instance;
}
}
懒汉式(线程不安全)
在多线程环境下,一个线程进入了if判断语句块,还未来得及往下执行,另外一个线程获得cpu的时间片往下执行,会创建多个实例。
public class Singleto {
private static Singleto instance;
private Singleto(){}
public static Singleto getInstance(){
if(instance == null){
instance = new Singleto();
}
return instance;
}
}
懒汉式(线程安全,同步方法)
解决线程不安全问题,但是效率低,当对象已经被创建后,所有线程都还是会去竞争锁,还是会去进入判断
public class Singleto {
private static Singleto instance;
private Singleto(){}
public static synchronized Singleto getInstance(){
if(instance == null){
instance = new Singleto();
}
return instance;
}
}
懒汉式(线程安全,同步代码块)
public class Singleto {
private static Singleto instance;
private Singleto(){}
public static Singleto getInstance(){
synchronized (Singleto.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleto();
}
return instance;
}
}
}
双重检查
又叫双重校验锁,解决线程安全问题,同时解决竞争锁性能问题,并且满足懒加载
public class Singleto {
private static Singleto instance;
private Singleto() {
}
public static Singleto getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleto.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleto();
}
}
}
return instance;
}
}
静态内部类
SingletonHolder在Singleto装载时不会被加载,在调用getInstance时才被加载,达到懒加载模式。并且jvm加载类时是线程安全的。
public class Singleto {
private Singleto(){
}
private static class SingletonHolder{
private static final Singleto INSTANCE = new Singleto();
}
public static Singleto getInstance(){
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
枚举
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void doSomething() {
}
}
2.工厂模式
- 工厂模式的意义:将实例化对象的代码提取出来,放到一个类中统一管理和维护,达到和主项目的依赖关系的解耦。从而提高项目的扩展和维护性
- 三种工厂模式(简单工厂模式,工厂方法模式,抽象工厂模式)
- 创建对象实例时,不要直接new,而是吧这个new类的动作放在一个工厂的方法中,并返回,变量不要直接持有具体类的引用。
- 不要让类继续具体类,而是继承抽象类或者是实现接口
- 不要覆盖基类中已经实现的方法
2.1简单工厂模式
简单工厂模式又叫静态工厂模式,原理就是将需要创建的对象抽取到一个工厂类中。使用的时候通过调用工厂获取对象,这样可以将对象的创建等细节抽取到一处,发生变更时只用更改工厂类即可,满足ocp原则。
披萨基类
public abstract class Pizza {
String name;
public abstract void prepare();
public abstract void bake();
public abstract void cut();
public abstract void box();
}
创建两种披萨
/**
* 芝士披萨
*
* @author
* @date 2024-11-06
*/
public class CheesePizza extends Pizza {
public CheesePizza() {
super.name = "奶酪披萨";
}
public void prepare() {
System.out.println("开始制作" + name);
}
public void bake() {
System.out.println(name + "烘烤中");
}
public void cut() {
System.out.println(name + "切割中");
}
public void box() {
System.out.println(name + "打包中");
}
}
/**
* 牛肉披萨
*
* @author
* @date 2024-11-06
*/
public class BeefPizza extends Pizza{
public BeefPizza() {
super.name = "牛肉披萨";
}
public void prepare() {
System.out.println("开始制作" + name);
}
public void bake() {
System.out.println(name + "烘烤中");
}
public void cut() {
System.out.println(name + "切割中");
}
public void box() {
System.out.println(name + "打包中");
}
}
创建一个披萨订单
/**
* 订一个披萨
*
* @author
* @date 2024-11-06
*/
public class OrderPizza {
String type;
public OrderPizza(String type) {
this.type = type;
}
public void submitOrder() {
String orderType;
orderType = getType();
Pizza pizza = PizzaFactory.createPizza(orderType);
pizza.prepare();
pizza.bake();
pizza.cut();
pizza.box();
}
private String getType() {
return this.type;
}
}
创建披萨工厂
/**
* 披萨工厂
*
* @author
* @date 2024-11-06
*/
public class PizzaFactory {
public static Pizza createPizza(String orderType) {
Pizza pizza = null;
if (orderType.equals("cheese")) {
pizza = new CheesePizza();
} else if (orderType.equals("beef")) {
pizza = new BeefPizza();
} else {
System.out.println("没有该类型");
}
return pizza;
}
}
披萨店订购披萨
/**
* 披萨店
*
* @author
* @date 2024-11-06
*/
public class PizzaStore {
public static void main(String[] args) {
OrderPizza orderPizza = new OrderPizza("beef");
orderPizza.submitOrder();
}
}
这样的好处就是扩展性强,以后有其他的披萨类型,只用创建一个新的披萨类,然后再工厂中添加新的披萨,其他使用工厂的创建即可,不用关心对象的创建。不使用工厂模式,新添加一个类型时,所有创建披萨的地方都要更改。
2.2工厂方法模式
工厂方法模式:定义一个创建对象的抽象方法,由子类决定要实例化的类。工厂方法模式将对象的实例化推迟到子类。
披萨基类
public abstract class Pizza {
String name;
public abstract void prepare();
public abstract void bake();
public abstract void cut();
public abstract void box();
}
不同区域和口味的披萨
public class BJBeefPizza extends Pizza {
public BJBeefPizza() {
super.name = "北京牛肉披萨";
}
public void prepare() {
System.out.println("开始制作" + name);
}
public void bake() {
System.out.println(name + "烘烤中");
}
public void cut() {
System.out.println(name + "切割中");
}
public void box() {
System.out.println(name + "打包中");
}
}
public class BJCheesePizza extends Pizza {
public BJCheesePizza() {
super.name = "北京奶酪披萨";
}
public void prepare() {
System.out.println("开始制作" + name);
}
public void bake() {
System.out.println(name + "烘烤中");
}
public void cut() {
System.out.println(name + "切割中");
}
public void box() {
System.out.println(name + "打包中");
}
}
public class CDBeefPizza extends Pizza {
public CDBeefPizza() {
super.name = "成都牛肉披萨";
}
public void prepare() {
System.out.println("开始制作" + name);
}
public void bake() {
System.out.println(name + "烘烤中");
}
public void cut() {
System.out.println(name + "切割中");
}
public void box() {
System.out.println(name + "打包中");
}
}
public class CDCheesePizza extends Pizza {
public CDCheesePizza() {
super.name = "成都奶酪披萨";
}
public void prepare() {
System.out.println("开始制作" + name);
}
public void bake() {
System.out.println(name + "烘烤中");
}
public void cut() {
System.out.println(name + "切割中");
}
public void box() {
System.out.println(name + "打包中");
}
}
抽象工厂方法类
public abstract class OrderPizza {
protected String orderType;
abstract Pizza createPizza(String orderType);
public OrderPizza(String type) {
orderType = type;
}
public void submitOrder() {
Pizza pizza = createPizza(orderType);
pizza.prepare();
pizza.bake();
pizza.cut();
pizza.box();
}
}
具体的工厂实现
public class BJOrderPizza extends OrderPizza {
public BJOrderPizza(String type) {
super(type);
}
Pizza createPizza(String orderType) {
Pizza pizza = null;
if (orderType.equals("cheese")) {
pizza = new BJCheesePizza();
} else if (orderType.equals("beef")) {
pizza = new BJBeefPizza();
}
return pizza;
}
}
public class CDOrderPizza extends OrderPizza{
public CDOrderPizza(String type) {
super(type);
}
Pizza createPizza(String orderType) {
Pizza pizza = null;
if (orderType.equals("cheese")) {
pizza = new CDCheesePizza();
} else if (orderType.equals("beef")) {
pizza = new CDBeefPizza();
}
return pizza;
}
}
演示
public class PizzaStore {
public static void main(String[] args) {
new BJOrderPizza("cheese").submitOrder();
new CDOrderPizza("beef").submitOrder();
}
}
2.3抽象工厂模式
- 抽象工厂模式:定义了一个interface用于创建相关或有依赖关系的对象簇,而无需指明具体的类
- 抽象工厂模式可以将简单工厂模式和工厂方法模式进行整合
- 从设计层面看,抽象工厂模式就是对简单工厂模式的改进(或者称为进一步的抽象)
- 将工厂抽象成两层,AbsFactory(抽象工厂)和具体实现的工厂子类。程序员可以根据创建对象类型使用相应的工厂子类。这样将单个的简单工厂类变成了工厂簇,更利于代码的维护和扩展。
抽象工厂
public interface AbsFactory {
Pizza createPizza(String type);
}
具体的工厂
public class BJFactory implements AbsFactory{
public Pizza createPizza(String type) {
Pizza pizza = null;
if (type.equals("cheese")) {
pizza = new BJCheesePizza();
} else if (type.equals("beef")) {
pizza = new BJBeefPizza();
}
return pizza;
}
}
public class CDFactory implements AbsFactory{
public Pizza createPizza(String type) {
Pizza pizza = null;
if (type.equals("cheese")) {
pizza = new CDCheesePizza();
} else if (type.equals("beef")) {
pizza = new CDBeefPizza();
}
return pizza;
}
}
工厂的使用
public class OrderPizza {
AbsFactory factory;
public OrderPizza(AbsFactory factory){
this.factory = factory;
}
public void submitOrder(String orderType) {
Pizza pizza = factory.createPizza(orderType);
pizza.prepare();
pizza.bake();
pizza.cut();
pizza.box();
}
}
结果展示
public class PizzaStore {
public static void main(String[] args) {
OrderPizza orderPizza = new OrderPizza(new BJFactory());
orderPizza.submitOrder("cheese");
}
}
3.原型模式
- 原型模式(prototype)是指:用原型实例指定创建对象的种类。并且通过拷贝这些原型,创建新的对象。
- 原型模式是一种创建型设计模式,允许一个对象再创建另外一个可定制的对象,无需指定如何创建的细节
- 工作原理是通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象,这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建,即,对象.clone()
3.1代码实现
原型类实现Cloneable接口,覆写clone方法
public class Sheep implements Cloneable{
private String name;
private int age;
private String color;
public Sheep(String name, int age, String color) {
this.name = name;
this.age = age;
this.color = color;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {}
@Override
public String toString() {
return "Sheep{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
", color='" + color + '\'' +
'}';
}
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}
}
3.2深拷贝和浅拷贝问题
浅拷贝
- 对于数据类型是基本数据类型的成员变量,浅拷贝会直接进行值传递,也就是将该属性值复制一份给新的对象
- 对于数据类型是引用数据类型的成员变量,比如说成员变量是某个数组、某个类的对象等,那么浅拷贝会进行引用传递,也就是只是将该成员变量的引用值(内存地址)复制一份给新的对象。因为实际上两个对象的该成员变量都指向同一个实例。在这种情况下,在一个对象中修改该成员变量会影响到另一个对象的该成员变量值
- 浅拷贝则是使用默认的clone()方法来实现
深拷贝
- 复制对象的所有基本数据类型的成员变量值
- 为所有引用数据类型的成员变量申请存储空间,并复制每个引用数据类型成员变量所引用的对象,直到该对象可达的所有对象。也就是说,对象进行深拷贝要对整个对象进行拷贝
- 深拷贝实现方式1:重写clone方法来实现深拷贝
- 深拷贝实现方式2:通过对象序列化实现深拷贝(推荐)
package com.demo.design_pattern.prototype;
import java.io.Serializable;
public class Beef implements Cloneable, Serializable {
private String name;
public Beef(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public String toString() {
return "Beef{" +
"name='" + name + '\'' +
'}';
}
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}
}
package com.demo.design_pattern.prototype;
import java.io.*;
public class Sheep implements Cloneable , Serializable {
private String name;
private int age;
private String color;
private Beef friend;
public Sheep(String name, int age, String color) {
this.name = name;
this.age = age;
this.color = color;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {}
public String getColor() {
return color;
}
public void setColor(String color) {
this.color = color;
}
public Beef getFriend() {
return friend;
}
public void setFriend(Beef friend) {
this.friend = friend;
}
@Override
public String toString() {
return "Sheep{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
", color='" + color + '\'' +
", friend=" + friend +
'}';
}
/*
* 方式一:完成深拷贝
* */
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
Object clone = super.clone();
Sheep sheep = (Sheep) clone;
sheep.friend = (Beef) this.friend.clone();
return clone;
}
/*
* 方式二:完成深拷贝
* */
public Object deepClone(){
Sheep sheep = null;
ByteArrayOutputStream bos = null;
ObjectOutputStream oos = null;
ByteArrayInputStream bis =null;
ObjectInputStream ois =null;
//创建流对象
try {
bos = new ByteArrayOutputStream();
oos = new ObjectOutputStream(bos);
// 序列号,写入当前对象的二进制流
oos.writeObject(this);
bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
ois = new ObjectInputStream(bis);
// 反序列化,从二进制流产生当前对象
sheep = (Sheep) ois.readObject();
} catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}finally {
try {
assert bos != null;
bos.close();
assert oos != null;
oos.close();
assert bis != null;
bis.close();
assert ois != null;
ois.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
return sheep;
}
}
代码演示
Sheep sheep = new Sheep("肖恩", 12, "白色");
sheep.setFriend(new Beef("小黑"));
// Sheep sheep1 = (Sheep) sheep.clone();
Sheep sheep1 = (Sheep) sheep.deepClone();
System.out.println(sheep1.getFriend() == sheep.getFriend());
System.out.println(sheep1);
System.out.println(sheep);
原型模式的注意事项和细节:
- 创建新的对象比较复杂时,可以利用原型模式简化对象的创建过程,同时也能提高效率
- 不用重新初始化对象,而是动态地获得运行时的状态
- 如果原始对象发生改变(增加或减少属性),其它克隆对象也会发生相应的变化,而无需修改代码
- 缺点:需要为每一个类配备一个克隆方法,对全新的类来说不是很难,但对已有的类进行改造时,需要修改其源代码,违背了opc原则。
4.建造者模式
4.1概念
- 建造者模式(Builder Pattern)又叫生成器模式,是一种对象构建模式。它可以将复杂对象的建造过程抽象出来(抽象类别),使这个抽象过程的不同实现方法可以构造出不同表现(属性)的对象
- 建造者模式使一步一步创建一个复杂的对象,它允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们,用户不需要知道内部的具体构建细节。
4.2核心角色
- Product(产品角色):一个具体的产品对象
- Builder(抽象建造者):创建一个Product对象的各个部件指定的接口/抽象类。
- ConcreteBuilder(具体建造者):实现接口,构建和装配各个部件。
- Director(指挥者):构建一个使用Builder接口的对象。它主要是用于创建一个复杂的对象。它主要又两个作用,一是:隔离了客户与对象的生产过程,二是负责控制产品对象的生产过程。
4.3代码实现
4.3.1建造的产品
/**
* 房子 --- 对应product
*
* @author
* @date 2024-11-11
*/
public class House {
private String basic;
private String wall;
private String roofed;
public String getBasic() {
return basic;
}
public void setBasic(String basic) {
this.basic = basic;
}
public String getWall() {
return wall;
}
public void setWall(String wall) {
this.wall = wall;
}
public String getRoofed() {
return roofed;
}
public void setRoofed(String roofed) {
this.roofed = roofed;
}
}
4.3.2抽象建造者-定义建造的方法
/**
* 房屋建造者 --- 对应抽象的建造者
*
* @author
* @date 2024-11-11
*/
public abstract class HouseBuilder {
protected House house = new House();
/*
* 定义房子建造的步骤
* */
public abstract void buildBasic();
public abstract void buildWall();
public abstract void roofed();
public House buildHouse() {
return house;
}
}
4.3.3具体的建造执行者--实现具体的建造方法
public class HigBuilding extends HouseBuilder{
@Override
public void buildBasic() {
System.out.println("高楼房子打地基50米");
house.setBasic("高楼房子打地基50米");
}
@Override
public void buildWall() {
System.out.println("高楼房子砌墙80cm");
house.setWall("高楼房子砌墙80cm");
}
@Override
public void roofed() {
System.out.println("高楼房子封顶");
house.setRoofed("高楼房子封顶");
}
}
4.3.4指挥者 --- 定义建造的流程(控制方法的执行流程)
/**
* 房子建造指挥者
*
* @author
* @date 2024-11-11
*/
public class HouseDirector {
private HouseBuilder houseBuilder;
public HouseDirector(HouseBuilder houseBuilder) {
this.houseBuilder = houseBuilder;
}
/**
* 建造房子,定义产品的创建过程
*
* @return
*/
public House constructHouse() {
// 调用建造者中的方法,完成产品的创建
houseBuilder.buildBasic();
houseBuilder.buildWall();
houseBuilder.roofed();
return houseBuilder.buildHouse();
}
}
4.3.5使用
public class Client {
public static void main(String[] args) {
HigBuilding higBuilding = new HigBuilding();
HouseDirector houseDirector = new HouseDirector(higBuilding);
House house = houseDirector.constructHouse();
System.out.println(house);
}
}
4.3.6建造者模式的注意事项和细节
- 建造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点,其组成部分相似,如果产品之间的差异性很大,则不适合使用建造者模式,因此其使用范围受到一定的限制
- 如果产品的内部变化复杂,可能会导致需要定义很多具体建造者类来实现这种变化,导致系统变得很庞大,因此在这种情况下,要考虑是否选择建造者模式
抽象工厂模式 vs 建造者模式
抽象工厂模式实现对产品家族的创建,一个产品家族是这样的一系列产品:具有不同分类维度的产品组合,采用抽象工厂模式不需要关心构建过程,只关心什么产品由什么工厂生产即可。而建造者模式则是要去按照指定的蓝图建造产品,它的主要目的是通过组装零配件而产生一个新产品