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chen 的个人博客

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Java设计模式

设计模式简介

设计模式(Design pattern)代表了最佳的实践,通常被有经验的面向对象的软件开发人员所采用。设计模式是软件开发人员在软件开发过程中面临的一般问题的解决方案。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。
设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的代码设计经验的总结。使用设计模式是为了重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。毫无疑问,设计模式于己于他人于系统都是多赢的,设计模式使代码编制真正工程化,设计模式是软件工程的基石,如果大厦的一块块砖石一样。项目中合理的运用设计模式可以完美地解决很多问题,每种模式在现实中都有相应的原理来与之对应,每种模式都描述了一个在我们周围不断重复发生的问题,以及该问题的核心解决方案,这也是设计模式能被广泛应用的原因。------摘自菜鸟教程

设计模式的类型

根据设计模式的参考书 Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software(中文译名:设计模式-可复用的面向对象软件元素)中所提到的,总共有 23 种设计模式。这些模式可以分为三大类:创建型模式(Creational Patterns)、结构型模式(Structural Patterns)和行为型模式(Behavioral Patterns)。当然,我们还会讨论另一类设计模式:J2EE 设计模式。
创建型模式
这些设计模式提供了一种在创建对象的同时隐藏创建逻辑的方式,而不是使用 new 运算符直接实例化对象。这使得程序在判断针对某个给定实例需要创建哪些对象时更加灵活。
  1. 工厂模式(Factory Pattern)
  2. 抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern)
  3. 单例模式(Singleton Pattern)
  4. 建造者模式(Builder Pattern)
  5. 原型模式(Prototype Pattern)
结构型模式
这些设计模式关注类和对象的组合。继承的概念被用来组合接口和定义组合对象获得新功能的方式。
  1. 适配器模式(Adapter Pattern)
  2. 桥接模式(Bridge Pattern)
  3. 过滤器模式(Filter、Criteria Pattern)
  4. 组合模式(Composite Pattern)
  5. 装饰器模式(Decorator Pattern)
  6. 外观模式(Facade Pattern)
  7. 享元模式(Flyweight Pattern)
  8. 代理模式(Proxy pattern)
行为型模式
这些设计模式特别关注对象之间的通信
  1. 责任链模式(Chain of Responsibility Pattern)
  2. 命令模式(Command Pattern)
  3. 解释器模式(Interpreter Pattern)
  4. 迭代器模式(Iterator Pattern)
  5. 中介者模式(Mediator Pattern)
  6. 备忘录模式(Observer Pattern)
  7. 观察者模式(Observer Pattern)
  8. 状态模式(State Pattern)
  9. 空对象模式(Null Object Pattern)
  10. 策略模式(Strategy Pattern)
  11. 模板模式(Template Pattern)
  12. 访问者模式(Visitor Pattern)
J2EE 模式
这些设计模式特别关注表示层。这些模式是由 Sun Java Center 鉴定的
  1. MVC 模式(MVC Pattern)
  2. 业务代表模式(Business Delegate Pattern)
  3. 组合实体模式(Composite Entity Pattern)
  4. 数据访问对象模式(Data Access Object Pattern)
  5. 前段控制器模式(Front Controller Pattern)
  6. 拦截过滤器模式(Intercepting Filter Pattern)
  7. 服务定位器模式(Service Locator Pattern)
  8. 传输对象模式(Transfer Object Pattern)

下面用一个图片来整体描述一下设计模式之间的关系

设计模式之间的关系

设计模式的六大原则

  1. 开闭原则(Open Close Principle)

    开闭原则的意思是:对扩展开放,对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候,不能去修改原有的代码,实现一个热插拔的效果。简言之,是为了使程序的扩展性好,易于维护和升级。想要达到这样的效果,我们需要使用接口和抽象类。

  2. 里氏代换原则(Liskov Substitution)

    里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。里氏代换原则中说,任何基类可以出现的地方,子类一定可以出现,LSP 是继承复用的基石,只有当派生类可以替换掉基类,且软件单位的功能不受到影响时,基类才能真正被复用,而派生类也能够在基类的基础上增加新的行为,里氏代换原则是对开闭原则的补充。实现开闭原则的关键步骤就是抽象化,而基类和子类的继承关系就是抽象化的具体实现,所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。

  3. 依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)

    这个原则是开闭原则的基础,具体内容:针对接口编程,依赖于抽象而不依赖于具体。

  4. 接口隔离原则(Interface Segregation Principle)

    这个原则的意思是:使用多个隔离的接口,比使用单个接口要好。它还有另外一个意思是:降低类之间的耦合度。由此可见,其实设计模式就是从大型软件结构出发、便于升级和维护的软件设计思想,它强调降低依赖,降低耦合。

  5. 迪米特法则,又称最少知道法则(Demeter Principle)

    最少知道原则是指:一个实体应当尽量少地与其他实体之间发生相互作用,使得系统功能模块相对独立。

  6. 合成复用原则(Composite Reuse Principle)

    合成复用原则是指:尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承。

工厂模式

工厂模式(Factory Pattern)是 Java 中最常用的设计模式之一,这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了一种创建对象的最佳方式。在工厂模式中,我们在创建对象的时候不会对客户端暴露创建逻辑,并且是通过一个共同的接口来指向新创建的对象。

介绍

意图:定义一个创建对象的接口,让其子类自己决定实例化哪一个工厂类,工厂模式使其创建过程延迟到子类进行。

主要解决:主要解决接口选择的问题。

何时使用:我们明确地计划不同条件下创建不同实例时。

如何解决:让其子类实现工厂接口,返回的也是一个抽象的产品。

关键代码:创建过程在其子类执行。

应用实例:1、您需要一辆汽车,可以直接从工厂里面 提货,而不用去管这辆汽车是怎么做出来的,以及这个汽车里面的具体实现。2、Hibernate 换数据库只需换方言和驱动就可以。

优点:1、一个调用者想创建一个对象,只要知道其名称就可以了。2、扩展性高,如果想增加一个产品,只要扩展一个工厂类就可以。3、屏蔽产品的具体实现,调用者只关心产品的接口。

缺点:每次增加一个产品时,都需要增加一个具体类和对象实现工厂,使得系统中类的个数成倍增加,在一定程度上增加了系统的复杂度,同时也增加了具体类的依赖,这并不是什么好事。

使用场景:1、日志记录器:记录可能记录到本地磁盘、系统事件、远程服务器等,用户可以选择记录日志到什么地方。2、数据库访问,当用户不知道最后系统采用哪一类数据库,以及数据库可能有变化时。3、设计一个连接服务器的框架,需要三个协议。“POP3”、“IMAP”、“HTTP”,可以把这三个作为产品类,共同实现一个接口。

注意事项:作为一种创建类模式,在任何需要生成复杂对象的地方,都可以使用工厂方法模式。有一点需要注意的地方就是复杂对象适合使用工厂模式,而简单对象,特别是只需要通过 new 就可以完成创建的对象,无需使用工厂模式。如果使用了工厂模式,就需要引入一个工厂类,会增加系统的复杂度。

实现

我们将创建一个 Shape 接口和实现 Shape 接口的实体类。下一步是定义工厂类 ShapeFactory

FactoryPatternDemo 类使用 ShapeFactory 来获取 Shape 对象。它将向 ShapeFactory 传递信息(CIRCLE / RECTANGLE / SQUARE),以便获取它所需对象的类型。

工厂模式的 UML 图

步骤 1

创建一个接口

Shape.java
1public interface Shape {
2    void draw();
3}
步骤 2

创建实现接口的实现类。

Rectangle.java
1public class Rectangle implements Shape {
2    @Override
3    public void draw() {
4        System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
5    }
6}
Square.java
1public class Square implements Shape {
2    @Override
3    public void draw() {
4        System.out.println("Inside Square::draw() method.");
5    }
6}
Circle.java
1public class Circle implements Shape {
2    @Override
3    public void draw() {
4        System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
5    }
6}
步骤 3

创建一个工厂,生成基于给定信息的实体类的对象。

ShapeFactory.java
 1public class ShapeFactory {
 2
 3    //使用 getShape 方法获取形状类型的对象
 4    public Shape getShape(String shapeType) {
 5        if (shapeType == null) {
 6            return null;
 7        }
 8        if (shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")) {
 9            return new Circle();
10        } else if (shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")) {
11            return new Rectangle();
12        } else if (shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")) {
13            return new Square();
14        }
15        return null;
16    }
17}
步骤 4

使用该工厂,通过传递类型信息来获取实体类的对象。

FactoryPatternDemo.java
 1public class FactoryPatternDemo {
 2
 3    public static void main(String[] args) {
 4        ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();
 5
 6        //获取Circle的对象,并调用它的draw方法
 7        Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");
 8
 9        //调用Circle的draw方法
10        shape1.draw();
11
12        //获取Rectangle的对象,并调用它的draw方法
13        Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");
14
15        //调用Rectangle的draw方法
16        shape2.draw();
17
18        //获取Square的对象,并调用它的draw方法
19        Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");
20
21        //d调用Square的draw方法
22        shape3.draw();
23    }
24}
步骤五

执行程序,输出结果

1Inside Circle::draw() method.
2Inside Rectangle::draw() method.
3Inside Square::draw() method.

抽象工厂模式

抽象工厂模式(Abstact Factory Pattern)是围绕一个超级工厂创建其他工厂。该超级工厂又称为其他工厂的工厂。这种类型的设计模式属于创建型模式,它 提供了一种创建对象的最佳方式。在抽象工厂模式中,接口是负责创建一个相关对象的工厂,不需要显式指定他们的类。每个生成的工厂都能按照工厂模式提供对象。

介绍

意图:提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口,而无需指定他们具体的类。

主要解决:主要解决接口选择的问题。

何时使用:在一个产品族里面,定义多个产品。

关键代码:在一个工厂里聚合多个同类产品。

应用实例:工作了,为了参加一些聚会,肯定有两套或多套衣服吧,比如说有商务装(成套、一些列具体产品)、时尚装(成套,一系列具体产品),甚至对于一个家庭来说,可能有商务女装、商务男装、时尚女装、时尚男装,这些也都是成套的,即一系列具体产品。假设一种情况(现实中是不存在的,要不然,没法进入共产主义了,但有利于说明抽象工厂模式),在您的家中,某一个衣柜(具体工厂)只能存放某一种这样的衣服(成套,一系列具体产品),每次拿这种成套的衣服时也自然要从这个衣柜中取出了。用 OOP 的思想去理解,所有的衣柜(具体工厂)都是衣柜类的(抽象工厂)某一个,而每一件成套的衣服又包括具体的上衣(某一具体产品)、裤子,这些具体的上衣其实也都是上衣(抽象产品),具体的裤子也都是裤子(抽象产品)。

优点:当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时,他能保证客户端适中只使用同一个产品族中的对象。

缺点:产品族扩展非常困难,要增加一个系列的某一产品,既要在抽象的 Creator 里加代码,又要在具体的里面加代码。

使用场景:1、QQ 换皮肤,一整套一起换;2、生成不同操作系统的程序。

注意事项:产品族难扩展,产品等级易扩展。

实现

我们将创建 Shape 和 Color 接口和实现这些接口的实现类。下一步是创建抽象工厂类 AbstractFactory。接着定义工厂类 ShapeFactory 和 ColorFactory,这两个工厂类都是扩展了 AbstractFactory。然后创建一个工厂创造器/生成器类 FactoryProducter。

抽象工厂模式的 UML 图

步骤 1

为形状创建一个接口

Shape.java
1public interface Shape {
2    void draw();
3}
步骤 2

创建接口实现的实体类

Rectangle.java
1public class Rectangle implements Shape {
2    @Override
3    public void draw() {
4        System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
5    }
6}
Square.java
1public class Square implements Shape {
2    @Override
3    public void draw() {
4        System.out.println("Inside Square::draw() method.");
5    }
6}
Circle.java
1public class Circle implements Shape {
2    @Override
3    public void draw() {
4        System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
5    }
6}
步骤 3

为颜色创建一个接口

Color.java
1public interface Color {
2    void fill();
3}
4
步骤 4

创建实现接口的实体类

Red.java
1public class Red implements Color {
2    @Override
3    public void fill() {
4        System.out.println("Inside Red::fill() method");
5    }
6}
Green.java
1public class Green implements Color {
2    @Override
3    public void fill() {
4        System.out.println("Inside Green::fill() method.");
5    }
6}
Blue.java
1public class Blue implements Color {
2    @Override
3    public void fill() {
4        System.out.println("Inside Blue::fill() method.");
5    }
6}
步骤 5

为 Color 和 Shape 对象创建抽象类来获取工厂。

AbstractFactory.java
1public abstract class AbstractFactory {
2    public abstract Color getColor(String color);
3    public abstract Shape getShape(String shape);
4}
步骤 6

创建扩展了 AbstractFactory 的工厂类,基于给定的信息生成实体类的对象。

ShapeFactory.java
 1public class ShapeFactory extends AbstractFactory {
 2    @Override
 3    public Color getColor(String color) {
 4        return null;
 5    }
 6
 7    @Override
 8    public Shape getShape(String shapeType) {
 9        if(shapeType == null){
10            return null;
11        }
12        if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){
13            return new Circle();
14        } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")){
15            return new Rectangle();
16        } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")){
17            return new Square();
18        }
19        return null;
20    }
21}
ColorFactory.java
 1public class ColorFactory extends AbstractFactory {
 2    @Override
 3    public Color getColor(String color) {
 4        if(color == null){
 5            return null;
 6        }
 7        if(color.equalsIgnoreCase("RED")){
 8            return new Red();
 9        } else if(color.equalsIgnoreCase("Blue")){
10            return new Blue();
11        } else if(color.equalsIgnoreCase("Green")){
12            return new Green();
13        }
14        return null;
15    }
16
17    @Override
18    public Shape getShape(String shape) {
19        return null;
20    }
21}
步骤 7

创建一个工厂创造器/生成器类,通过传递形状或颜色信息来获取工厂。

FactoryProducter.java
 1public class FactoryProducer {
 2    public  static AbstractFactory getFactory(String choice){
 3        if(choice.equalsIgnoreCase("SHAPE")){
 4            return new ShapeFactory();
 5        } else if(choice.equalsIgnoreCase("COLOR")){
 6            return new ColorFactory();
 7        }
 8        return null;
 9    }
10}
11
步骤 8

使用 FactoryProducter 来获取 AbstractFactory,通过传递类型信息来获取实体类的对象。

AbstractFactoryPatternDemo.java
 1public class AbstractFactoryPatternDemo {
 2    public static void main(String[] args) {
 3        //获取形状工厂
 4        AbstractFactory shapeFactory = FactoryProducer.getFactory("SHAPE");
 5
 6        //获取形状为Circle的对象
 7        Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");
 8
 9        //调用Circle的draw方法
10        shape1.draw();
11
12        //获取形状为Rectangle的对象
13        Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");
14
15        //调用Rectangle的draw方法
16        shape2.draw();
17
18        //获取形状为Square的对象
19        Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");
20
21        //调用Square的draw方法
22        shape3.draw();
23
24        //获取颜色工厂
25        AbstractFactory colorFactory = FactoryProducer.getFactory("COLOR");
26
27        //获取颜色为Red的对象
28        Color color1 = colorFactory.getColor("RED");
29
30        //调用Red的fill方法
31        color1.fill();
32
33        //获取颜色为Green的对象
34        Color color2 = colorFactory.getColor("GREEN");
35
36        //调用Green的fill方法
37        color2.fill();
38
39        //获取颜色为Blue的对象
40        Color color3 = colorFactory.getColor("BLUE");
41
42        //调用Blue的fill方法
43        color3.fill();
44    }
45}
步骤 9

执行程序,输出结果:

1Inside Circle::draw() method.
2Inside Rectangle::draw() method.
3Inside Square::draw() method.
4Inside Red::fill() method
5Inside Green::fill() method.
6Inside Blue::fill() method.
7
后续会继续完善。

标题:Java设计模式
作者:zzzzchen
地址:https://dczzs.com/articles/2021/09/27/1632723920592.html