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GOF23--23种设计模式（一）

发布时间 2023-12-04 21:49:28作者: 回忆也交给时间

一.什么是设计模式

设计模式（Design  Pattern）是前辈们对代码开发经验的总结，是解决一系列特定问题的套路。

它不是语法规定，而是一套用来提高代码复用性，可读性，可维护性，稳健性，安全性的解决方案

设计模式的雏形：

1995年，GOF（Gang  of  Four，四人/四人帮）合作出版了《设计模式：可复用的面向对象软件的基础》一书，共收集了23种设计模式，从此有了设计模式的历程碑，人称【GoF设计模式】

设计模式的本质是面向对象设计的实际应用，是对类的封装，继承，多态，以及类的关联，和组合关系的充分理解

使用设计模式有以下优点：

  • 可以提高程序员的思维能力，编程和设计能力
  • 使得程序设计更加标准化，代码编制更容易加工，从而缩短软件开发周期
  • 使设计代码重用性高，可读性高，可靠性高，灵活性，可维护性强

OOP的七大原则：

开闭原则：对扩展开放，对修改关闭

  • 指的是在面向对象的设计中，当有新的需求时，不会优先改变源码，而是通过其它方式（继承，多态等）在源码的基础上拓展新功能

里氏替换原则：继承必须确保父类的所拥有的性质在子类依旧成立

  • 指的是在程序设计中，对于子类继承父类，子类中父类的属性和方法都能正常使用，子类需要新的需求就自己写，不要直接重写父类的方法，如果为了重写父类已有的方法而继承，对于程序的复用性会大打折扣

依赖倒置原则：面向接口编程，不要面向实现编程

  • 指的是在程序设计中，不应该力求于怎么实现这个功能，应该先思考有那些方法，各自负责什么，实现的细节交由实现类，抽象功能交给接口，更深层次就是面向抽象编程，不要面向实现编程

单一职责原则：控制类的粒度，将对象解耦，提高其内聚性

  • 指的是一个类就专注于实现好一个功能就行了，就像一个方法就实现一个细节一样，如用户登录，想要一个方法负责密码校对又负责检测用户名是否存在，就是一个方法干了多件事，可以把检测用户是否存在抽象为另一个方法，然后调用它，这样类的粒度就低了，粒度越高，代码越可能出现问题

接口隔离原则：为各个类建立它们专需的接口

  • 指的是在程序设计的时候，需要对一个接口对应一个或多个实现类，它们负责的模块可以很小，但是需要专一，不要多个功能都冗余在一个接口内部，应该实现专一功能，然后可以多个实现类来实现更小的细节

迪米特法则：只与你的朋友交谈，不和陌生人说话

  • 指的是两个类需要交流时应该通过一个中间类，不要让它们两个类直接交流，如用户登录时需要密码校对（A类的功能），校对前需要进行用户名检测是否村在（B类的功能），它们之间有耦合关系，但是程序设计中不能将B类塞到A类中，而是需要一个C类，将B类和A类组合，然后实现此功能，好处是，A类B类保持纯粹，坏处是多了一个开销C类

合成复用原则：尽量优先使用组合和聚合的方式实现类之间的关系，其次才考虑继承来实现

  • 指的是在类的关系中多用组合和聚合的方式设计类，组合优于继承，如果你只想使用父类的方法，而很少或根本不再设计新的方法属性，就肯定要使用组合，如果是需要大面积更改父类方法，或者重构父类，则使用继承

注意：OOP的七大原则，多用于设计阶段，需要分清设计和实现的区别

 二.工厂模式

实现了创建者和调度者的分离

原来的调度者即是创建者，类就在自己的项目中，且可看源码，所以要使用的时候可以直接new出来，这种方式创建对象需要自己十分的了解这个类，如需要哪些参数，清楚内部的实现细节

在大型项目的设计中，都是面向接口编程，对于调度者，它只知道此接口的内容，和有一些实现类，并不知道实现类的具体细节，如果自己创建对象，很大概率会被抽象接口给整蒙，所以工厂模式出现了，它用于实现对象的创建，创建对象的细节都由工厂模式解决（也就是架构师），普通开发者只用知道自己使用的实现类是那个工厂提供的，然后在工厂内拿取对象，不必自己创建，而只是利用工厂调度

详细工厂的分类：

  • 简单工厂模式
  • 工厂方法模式
  • 抽象工厂模式

理论上，工厂模式满足：开闭原则，依赖倒转原则，迪米特法则

但是，实际工作中以效率和业务开发为主，不一定完全满足，这取决于效率和理论的冲突

工厂模式的核心本质：

实例化对象不在使用new关键字，用工厂代替

将选择实现类，创建实现类对象统一管理和控制，从而将调用者和实现类解耦

简单工厂模式

简单工厂模式也叫静态工厂模式，指的是工厂中的代码块都是写死的，动态的拓展类需要在工厂中新增代码块来完成对象的创建

接口，Animal：

public interface Animal {
    void getName();
}

 

通过此接口拓展出的实现类：

  • cat类
public class Cat implements Animal{
    @Override
    public void getName() {
        System.out.println("猫类，实现Animal接口");
    }
}

 

  • dog类
public class Dog implements Animal{
    @Override
    public void getName() {
        System.out.println("狗类，实现Animal类");
    }
}

 

普通的创建对象的方式，通过new关键字实现：

//普通的创建对象方式
Cat cat = new Cat();
Dog dog = new Dog();

 

这种方式使用的前提是创建者对类的内部结构要熟悉，清楚需要什么参数才能创建对象，我们例子的实现类简单，肯定用new关键字很适用，但是这一期主要讲工厂模式，所以我们看看工厂模式怎么创建对象

简单构造一个简单工厂来创建对象（重理解）：

public class AnimalFactory {
    public static Animal getAnimal(String name){
        if (name.equals("cat")){
            return new Cat();
        } else if (name.equals("dog")) {
            return new Dog();
        }else {
            return null;
        }
    }
}

 

如上就是普通工厂的写法，它是讲已有的类先写入工厂中，这就导致工厂的实现类被写死了，如果新增一个拓展类，就需要改变普通工厂的源码，这很显然不符合开闭原则

工厂模式拿取对象：

//工厂模式创建对象
Animal cat1 = AnimalFactory.getAnimal("cat");
Animal dog1 = AnimalFactory.getAnimal("dog");

 

新建一个Mouse实现类：

public class Mouse implements Animal {
    @Override
    public void getName() {
        System.out.println("老鼠类，实现于Animal类");
    }
}

 

需要改变普通工厂模式的代码：

public class AnimalFactory {
    public static Animal getAnimal(String name){
        if (name.equals("cat")){
            return new Cat();
        } else if (name.equals("dog")) {
            return new Dog();
        }else if (name.equals("mouse")) {
            //新增的拓展实现类
            return new Mouse();
        }else {
            return null;
        }
    }
}

 

每次新增拓展类都需要改变普通工厂类的原因：普通工厂是拿取对象的必经之路，是和其它实现类的唯一联系

普通工厂模式生产对象略图：

 工厂方法模式

工厂方法模式支持实现类的横向拓展，它在普通工厂模式的基础上，增加工厂模式接口，对于每个实现类有专门的接口，

也就是说实现类，实现接口的具体细节，而工厂实现类实现的是工厂模式的创建对象

  • 优点是可以横向拓展业务，不需要改变已经有的工厂模式来融入
  • 缺点是代码量直接翻倍，冗余比较大

接口Animal：

public interface Animal {
    void getName();
}

 

Animal工厂接口：

public interface AnimalFactory {
    Animal getAnimal();
}

 

接口实现类：

public class Cat implements Animal {
    @Override
    public void getName() {
        System.out.println("猫类，实现Animal接口");
    }
}

 

工厂接口实现类：

public class CatFactory implements AnimalFactory{
    @Override
    public Animal getAnimal() {
        return new Cat();
    }
}

 

如上，每个实现类都有它专有的工厂实现类，使得每个实现类都是专门的工厂来加工的，它们各个工厂实现类都是独立存在的互相解耦，所以要创建对象现在就需要去找它们对应的工厂

这样构建工厂的好处是，横向的新增业务，如果现在新增一个业务只需要实现类实现Animal接口，它对应的工厂实现工厂接口，和其它工厂是独立存在的，不需要改变已有的工厂

能实现横向拓展的关键在于，接口和工厂接口都不是关键路径了，而是约束实现类的组成

工厂方法模式创建对象：

//方法工厂模式拿取对象
Animal cat = new CatFactory().getAnimal();
Animal dog = new DogFactory().getAnimal();

 

工厂方法模式生产对象略图：

三.抽象工厂模式

抽象工厂模式也是工厂模式的一种，但是它的特点和普通工厂模式，工厂方法模式的机制都是不同的

抽象工厂模式围绕一个超级工厂，其它工厂的创建都是由这个超级工厂约束的

定义：抽象工厂模式提供了一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，无需指定它们具体的类

优点：

  • 具体产品在应用层隔离，无需关心创建细节
  • 将一个系列的产品统一到一起实现

缺点：

  • 产品簇新增产品困难
  • 增加了系统抽象性和理解难度

产品接口：

phone

//产品接口，具体的实现细节交给厂商
public interface PhoneProduct {
    void getPhoneName();
    void getNumber();
    void getProduct();
}

 

router

//产品接口，具体的实现细节交给厂商
public interface RouterProduct {
    void getRouterName();
    void getRouterNumber();
    void getRouterProduct();
}

 

抽象工厂接口，工厂都需要实现此接口：

//抽象工厂，所有的工厂都需要实现这个超级工厂
public interface AbstractFactory {
    PhoneProduct phone();
    RouterProduct router();
}

 

普通工厂：

XiaoMi：

public class MiFactory implements AbstractFactory{
    @Override
    public PhoneProduct phone() {
        return new MiPhone();
    }

    @Override
    public RouterProduct router() {
        return new MiRouter();
    }
}

 

HuaWei：

public class HWFactory implements AbstractFactory{
    @Override
    public PhoneProduct phone() {
        return new HuaWeiPhone();
    }

    @Override
    public RouterProduct router() {
        return new HuaWeiRouter();
    }
}

 

抽象工厂模式生产对象略图：

三种工厂模式总结

简单工厂模式：虽然某种程度上不符合设计模式，但是实际应用最多

工厂方法模式：不修改已有类的情况下，通过新增工厂实现类的拓展

抽象工厂模式：不可以新增产品，但是可以新增产品簇或者说，不建议修改已经写好的抽象工厂接口，但是实现抽象工厂接口的普通工厂可以横向拓展

四.单例模式

单例模式指的是在创建对象的时候，只允许全局存在一个对象，从而达到资源共享的目的

实现单例模式的方式一共有两种：

  • 饿汉式单例
  • 懒汉式单例

饿汉式单例

饿汉式单例的特点是将一个类的构造器私有化，不让外部的程序手动的创建对象

而这个类的对象则使用静态方法获取，由程序加载初始化的时候就开始创建，然后伴随程序的结束为止

//饿汉式单例模式
public class HungryInstance {
    //私有化构造器，不允许外部类任意创建对象
    private HungryInstance(){

    }
    //创建静态对象，在类初始化时就被创建对象
    private static HungryInstance hungry=new HungryInstance();
    //外部类利用方法拿取对象，不由外部类自主创建对象
    public static   HungryInstance getHungry(){
        return hungry;
    }
}

 

饿汉式单例模式有一个缺点，也就是此类的对象是静态的，它和程序加载顺序有关系，静态的代码块会和程序初始化一起加载，所以有可能此类如果所需空间很大但是使用不平凡，会白占很多空间

如我们此类需要申请一片内存空间：

private String[] s1=new String[1000];
private String[] s2=new String[1000];
private String[] s3=new String[1000];
private String[] s4=new String[1000];

 

如上，这片空间会在程序初始化就被占用，且一直存在到程序结束，如果这个单例本身使用很少，内存开销就很不合算

懒汉式单例

懒汉式单例也需要将构造器私有，避免外部类创建对象

懒汉式不是再使用静态属性来创建对象，而是通过方法调用，由方法创建

如果没使用此方法就并不会存在此对象，如果使用了此方法就创建一个对象

然后加一个检测机制，调用此方法时，如果对象存在就直接返回对象，避免创建，如果不存在，则当场创建一个

//懒汉式单例
public class LazyInstance {
    //私有化构造器，避免外部类创建对象
    private LazyInstance(){

    }
    private LazyInstance lazy;
    //y由调用方法创建对象，被调用才会被创建，没被调用对象就不存在
    public LazyInstance getLazy(){
        if (lazy==null){
             lazy = new LazyInstance();
            return lazy;
        }else {
            return lazy;
        }
    }
}

 

懒汉式单例也有自己的一个问题，那就是多线程的情况下，检测机制太简单，单例会被破坏

原因是上面方法创建对象的操作不是原子性，创建对象的过程：1.分配内存空间，2.执行构造方法，初始化对象，3.把对象指向这个空间

创建对象的顺序是123，132都可能，如果多个线程同时来拿对象只有还没进行到第3步，都会默认没有对象，但实际情况是已经有线程正在创建了，所以就会导致多个线程创建了多个对象

解决方式，加锁（synchronized）

    //由调用方法创建对象，被调用才会被创建，没被调用对象就不存在
    public static LazyInstance getLazy() {
        if (lazy == null) {
            //加上线程同步机制，当对象不存在时将此类资源锁住
            synchronized (LazyInstance.class) {
                if (lazy == null) {
                    lazy = new LazyInstance();
                    return lazy;
                }
            }
        }
        return lazy;
    }

 

加上同步机制后，在创建对象时，会将类资源锁住，先获得锁的线程就就去创建对象，其它线程只能等待此线程释放锁

当对象创建完成后，其它线程先后获得锁，但是对象此时已经被最先拿到锁的线程创建了，所以其它线程都不能创建对象而是直接返回已经创建好的对象

静态内部类单例

这是使用了Java静态内部类的特点，它可以直接拿到外部类的静态资源，然后又不会直接被初始化加载，它和饿汉式有异曲同工之妙

饿汉式是在程序加载时就初始化一个对象出来，而它需要在被调用时才能拿到对象，由于创建对象的类中，又是final修饰，所以在调用方法的时候不会多创建对象

//静态内部类
public class StaticClass {
    //私有化构造器
    private StaticClass(){

    }
    //返回静态内部类的属性
    public static StaticClass getInstance(){
        return InnerClass.sc;
    }
    //静态内部类负责创建外部类的对象
    public static class InnerClass{
        private static final StaticClass sc = new StaticClass();
    }
}

上面三种方式的缺点

只要有反射机制存在，以上三种方式创建对象都是不安全的

 反射机制使得私有的构造器依旧可以被拿到，反射机制面前就没有私有的属性了，我们可以使用反射机制来创建对象

//通过反射拿取类的构造器
Constructor<LazyInstance> lazy = LazyInstance.class.getDeclaredConstructor(null);
//设置构造器的熟悉为可访问
lazy.setAccessible(true);
//通过反射拿取构造器创建对象
LazyInstance lazy1 = lazy.newInstance();
LazyInstance lazy2 = lazy.newInstance();
//展示hashcode
System.out.println(lazy1);//LazyInstance@4554617c
System.out.println(lazy2);//LazyInstance@74a14482

 

如上，通过反射机制将构造器再次变为公有属性以后，已经可以通过外部类继续创建对象

所以这种基于类的单例模式大多都是不安全的，关键在于Java的反射机制使得构造器无法真正的私有化

但是如果有能拒绝反射机制的方式，阁下又如何应对呢？接下来的枚举类值得一看

枚举类单例

枚举类的特点：

枚举类的构造器都是私有的（无论是否显式表达，都是私有的），因此枚举类不能对外创建对象

can't deserialize enum" ：不能通过反射拿取枚举类
枚举类直接拒绝反射机制，从根本上杜绝了反射更改构造器属性为公有的情况
public enum EnumInstance {
    //实例对象
    Instance;
    //私有构造器，不管是否显示私有化都是私有的，改为公有编译错误
    private EnumInstance(){

    }
    //拿取对象实例方法
    public EnumInstance getInstance(){
        return Instance;
    }
}

 试试用反射取改变构造器属性为公有

//枚举的构造器不是无参构造，Idea和JavaP命令都反编译为无参构造，而真正的构造器为参数为String和int
Constructor<EnumInstance> ei = EnumInstance.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
//设置构造器为公共属性
ei.setAccessible(true);
//通过构造器创建对象
EnumInstance e1 = ei.newInstance();
EnumInstance e2 = ei.newInstance();
//展示hashcode
System.out.println(e1);
System.out.println(e2);

指向如上代码报错：

 意思是不能使用反射创建枚举对象