Java--设计模式

本文是个人设计模式的总结（针对java）
核心from中南大学软件学院刘伟 https://blog.csdn.net/lovelion/article/details/17517213

本文总结：创建型模式（单例模式、工厂三兄弟）、结构型模式（适配器模式、装饰模式）、行为型模式（观察者模式、策略模式）。

一 概念

设计模式(Design Pattern)是一套被反复使用、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可重用代码、让代码更容易被他人理解并且保证代码可靠性。

设计模式一般包含模式名称、问题、目的、解决方案、效果等组成要素，其中关键要素是模式名称、问题、解决方案和效果。
模式名称(Pattern Name)通过一两个词来描述模式的问题、解决方案和效果，以便更好地理解模式并方便开发人员之间的交流，绝大多数模式都是根据其功能或模式结构来命名的；
问题(Problem)描述了应该在何时使用模式，它包含了设计中存在的问题以及问题存在的原因；
解决方案(Solution)描述了一个设计模式的组成成分，以及这些组成成分之间的相互关系，各自的职责和协作方式，通常解决方案通过UML类图和核心代码来进行描述；
效果(Consequences)描述了模式的优缺点以及在使用模式时应权衡的问题。

二 分类

设计模式可分为创建型(Creational)，结构型(Structural)和行为型(Behavioral)三种：
创建型模式主要用于描述如何创建对象；
结构型模式主要用于描述如何实现类或对象的组合；
行为型模式主要用于描述类或对象怎样交互以及怎样分配职责；
在GoF 23种设计模式中包含5种创建型设计模式、7种结构型设计模式和11种行为型设计模式。此外，根据某个模式主要是用于处理类之间的关系还是对象之间的关系，设计模式还可以分为类模式和对象模式。我们经常将两种分类方式结合使用，如单例模式是对象创建型模式，模板方法模式是类行为型模式。

——————–手中无模式，心中有模式——————–

三 单例模式

3.1、相关概念

单例模式的动机：为了确保对象的唯一性。
单例模式(Singleton Pattern)：确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。单例模式是一种对象创建型模式。

单例模式有三个要点：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

单例模式是结构最简单的设计模式一，在它的核心结构中只包含一个被称为单例类的特殊类。

单例模式结构图中只包含一个单例角色：
● Singleton（单例）：在单例类的内部实现只生成一个实例，同时它提供一个静态的getInstance()工厂方法，让客户可以访问它的唯一实例；为了防止在外部对其实例化，将其构造函数设计为私有；在单例类内部定义了一个Singleton类型的静态对象，作为外部共享的唯一实例。

3.2、负载均衡器的设计与实现

服务器负载均衡(Load Balance)软件，该软件运行在一台负载均衡服务器上，可以将并发访问和数据流量分发到服务器集群中的多台设备上进行并发处理，提高系统的整体处理能力，缩短响应时间。由于集群中的服务器需要动态删减，且客户端请求需要统一分发，因此需要确保负载均衡器的唯一性，只能有一个负载均衡器来负责服务器的管理和请求的分发，否则将会带来服务器状态的不一致以及请求分配冲突等问题。如何确保负载均衡器的唯一性是该软件成功的关键。

在图3-3中，将负载均衡器LoadBalancer设计为单例类，其中包含一个存储服务器信息的集合serverList，每次在serverList中随机选择一台服务器来响应客户端的请求，实现代码如下所示：

import java.util.*;  

//负载均衡器LoadBalancer：单例类，真实环境下该类将非常复杂，包括大量初始化的工作和业务方法，考虑到代码的可读性和易理解性，只列出部分与模式相关的核心代码  
class LoadBalancer {  
    //私有静态成员变量，存储唯一实例  
    private static LoadBalancer instance = null;  
    //服务器集合  
    private List serverList = null;  

    //私有构造函数  
    private LoadBalancer() {  
        serverList = new ArrayList();  
    }  

    //公有静态成员方法，返回唯一实例  
    public static LoadBalancer getLoadBalancer() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new LoadBalancer();  
        }  
        return instance;  
    }  

    //增加服务器  
    public void addServer(String server) {  
        serverList.add(server);  
    }  

    //删除服务器  
    public void removeServer(String server) {  
        serverList.remove(server);  
    }  

    //使用Random类随机获取服务器  
    public String getServer() {  
        Random random = new Random();  
        int i = random.nextInt(serverList.size());  
        return (String)serverList.get(i);  
    }  
}  

编写如下客户端测试代码：

 class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        //创建四个LoadBalancer对象  
        LoadBalancer balancer1,balancer2,balancer3,balancer4;  
        balancer1 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  
        balancer2 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  
        balancer3 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  
        balancer4 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  

        //判断服务器负载均衡器是否相同  
        if (balancer1 == balancer2 && balancer2 == balancer3 && balancer3 == balancer4) {  
            System.out.println("服务器负载均衡器具有唯一性！");  
        }  

        //增加服务器  
        balancer1.addServer("Server 1");  
        balancer1.addServer("Server 2");  
        balancer1.addServer("Server 3");  
        balancer1.addServer("Server 4");  

        //模拟客户端请求的分发  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            String server = balancer1.getServer();  
            System.out.println("分发请求至服务器： " + server);  
      }  
    }  
}  

编译并运行程序，输出结果如下：

服务器负载均衡器具有唯一性！

分发请求至服务器：  Server 1

分发请求至服务器：  Server 3

分发请求至服务器：  Server 4

分发请求至服务器：  Server 2

分发请求至服务器：  Server 3

分发请求至服务器：  Server 2

分发请求至服务器：  Server 3

分发请求至服务器：  Server 4

分发请求至服务器：  Server 4

分发请求至服务器：  Server 1

虽然创建了四个LoadBalancer对象，但是它们实际上是同一个对象，因此，通过使用单例模式可以确保LoadBalancer对象的唯一性。

3.3、饿汉式单例与懒汉式单例的讨论

饿汉：由于在定义静态变量的时候实例化单例类，因此在类加载的时候就已经创建了单例对象。当类被加载时，静态变量instance会被初始化，此时类的私有构造函数会被调用，单例类的唯一实例将被创建。如果使用饿汉式单例来实现负载均衡器LoadBalancer类的设计，则不会出现创建多个单例对象的情况，可确保单例对象的唯一性。

class EagerSingleton {   
    private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();   
    private EagerSingleton() { }   

    public static EagerSingleton getInstance() {  
        return instance;   
    }     
}  

懒汉：懒汉式单例在第一次调用getInstance()方法时实例化，在类加载时并不自行实例化，这种技术又称为延迟加载(Lazy Load)技术，即需要的时候再加载实例，为了避免多个线程同时调用getInstance()方法，我们可以使用关键字synchronized

class LazySingleton {   
    private static LazySingleton instance = null;   

    private LazySingleton() { }   

    synchronized public static LazySingleton getInstance() {   
        if (instance == null) {  
            instance = new LazySingleton();   
        }  
        return instance;   
    }  
}  

该懒汉式单例类在getInstance()方法前面增加了关键字synchronized进行线程锁，以处理多个线程同时访问的问题。但是，上述代码虽然解决了线程安全问题，但是每次调用getInstance()时都需要进行线程锁定判断，在多线程高并发访问环境中，将会导致系统性能大大降低。如何既解决线程安全问题又不影响系统性能呢？我们继续对懒汉式单例进行改进。事实上，我们无须对整个getInstance()方法进行锁定，只需对其中的代码“instance = new LazySingleton();”进行锁定即可。因此getInstance()方法可以进行如下改进：

public static LazySingleton getInstance() {   
    if (instance == null) {  
        synchronized (LazySingleton.class) {  
            instance = new LazySingleton();   
        }  
    }  
    return instance;   
}  

问题貌似得以解决，事实并非如此。如果使用以上代码来实现单例，还是会存在单例对象不唯一。原因如下：
假如在某一瞬间线程A和线程B都在调用getInstance()方法，此时instance对象为null值，均能通过instance == null的判断。由于实现了synchronized加锁机制，线程A进入synchronized锁定的代码中执行实例创建代码，线程B处于排队等待状态，必须等待线程A执行完毕后才可以进入synchronized锁定代码。但当A执行完毕时，线程B并不知道实例已经创建，将继续创建新的实例，导致产生多个单例对象，违背单例模式的设计思想，因此需要进行进一步改进，在synchronized中再进行一次(instance == null)判断，这种方式称为双重检查锁定(Double-Check Locking)。使用双重检查锁定实现的懒汉式单例类完整代码如下所示：

   class LazySingleton {   
    private volatile static LazySingleton instance = null;   

    private LazySingleton() { }   

    public static LazySingleton getInstance() {   
        //第一重判断  
        if (instance == null) {  
            //锁定代码块  
            synchronized (LazySingleton.class) {  
                //第二重判断  
                if (instance == null) {  
                    instance = new LazySingleton(); //创建单例实例  
                }  
            }  
        }  
        return instance;   
    }  
}  

需要注意的是，如果使用双重检查锁定来实现懒汉式单例类，需要在静态成员变量instance之前增加修饰符volatile，被volatile修饰的成员变量可以确保多个线程都能够正确处理，且该代码只能在JDK 1.5及以上版本中才能正确执行。由于volatile关键字会屏蔽Java虚拟机所做的一些代码优化，可能会导致系统运行效率降低，因此即使使用双重检查锁定来实现单例模式也不是一种完美的实现方式。

饿汉式单例类与懒汉式单例类比较：
饿汉式单例类在类被加载时就将自己实例化，它的优点在于无须考虑多线程访问问题，可以确保实例的唯一性；从调用速度和反应时间角度来讲，由于单例对象一开始就得以创建，因此要优于懒汉式单例。但是无论系统在运行时是否需要使用该单例对象，由于在类加载时该对象就需要创建，因此从资源利用效率角度来讲，饿汉式单例不及懒汉式单例，而且在系统加载时由于需要创建饿汉式单例对象，加载时间可能会比较长。

懒汉式单例类在第一次使用时创建，无须一直占用系统资源，实现了延迟加载，但是必须处理好多个线程同时访问的问题，特别是当单例类作为资源控制器，在实例化时必然涉及资源初始化，而资源初始化很有可能耗费大量时间，这意味着出现多线程同时首次引用此类的机率变得较大，需要通过双重检查锁定等机制进行控制，这将导致系统性能受到一定影响。

饿汉单例设计模式：
* 1.私有化构造函数；（防止别人new）
* 2.声明本类的引用类型变量，并且使用该变量只想本类对象；
* 3.提供一个公共静态的方法获取本类的对象；
*

*懒汉单例设计模式：
*1.私有化构造函数；
*2.声明本类的引用类型变量，但是不创建本类的对象；
*3.提供一个公共静态的方法获取本类的对象；获取之前先判断是否已经创建了本类对象，
* 如果已经创建了，那么直接返回对象，如果没有，先创建本类的对象，然后再返回。
*

3.4、Initialization Demand Holder (IoDH)的技术

饿汉式单例类不能实现延迟加载，不管将来用不用始终占据内存；懒汉式单例类线程安全控制烦琐，而且性能受影响。Initialization Demand Holder (IoDH)的技术结合了二者的优点。
在IoDH中，我们在单例类中增加一个静态(static)内部类，在该内部类中创建单例对象，再将该单例对象通过getInstance()方法返回给外部使用，实现代码如下所示：

   //Initialization on Demand Holder  
class Singleton {  
    private Singleton() {  
    }  

    private static class HolderClass {  
            private final static Singleton instance = new Singleton();  
    }  

    public static Singleton getInstance() {  
        return HolderClass.instance;  
    }  

    public static void main(String args[]) {  
        Singleton s1, s2;   
        s1 = Singleton.getInstance();  
        s2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(s1==s2);  
    }  
}  

通过使用IoDH，我们既可以实现延迟加载，又可以保证线程安全，不影响系统性能，不失为一种最好的Java语言单例模式实现方式（其缺点是与编程语言本身的特性相关，很多面向对象语言不支持IoDH）。

3.5、单例模式总结

单例模式作为一种目标明确、结构简单、理解容易的设计模式，在软件开发中使用频率相当高，在很多应用软件和框架中都得以广泛应用。

单例模式的主要优点如下：

(1) 单例模式提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它。
(2) 由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象单例模式无疑可以提高系统的性能。
(3) 允许可变数目的实例。基于单例模式我们可以进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例，既节省系统资源，又解决了单例单例对象共享过多有损性能的问题。

单例模式的主要缺点如下：

(1) 由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
(2) 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
(3) 现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的共享对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致共享的单例对象状态的丢失。

适用场景：

(1) 系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器或资源管理器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
(2) 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。

四 工厂三兄弟

4.1、工厂三兄弟之简单工厂模式

简单工厂模式(Simple Factory Pattern)：定义一个工厂类，它可以根据参数的不同返回不同类的实例，被创建的实例通常都具有共同的父类。因为在简单工厂模式中用于创建实例的方法是静态(static)方法，因此简单工厂模式又被称为静态工厂方法(Static Factory Method)模式，它属于类创建型模式。

当你需要什么，只需要传入一个正确的参数，就可以获取你所需要的对象，而无须知道其创建细节。

在简单工厂模式结构图中包含如下几个角色：

● Factory（工厂角色）：工厂角色即工厂类，它是简单工厂模式的核心，负责实现创建所有产品实例的内部逻辑；工厂类可以被外界直接调用，创建所需的产品对象；在工厂类中提供了静态的工厂方法factoryMethod()，它的返回类型为抽象产品类型Product。

● Product（抽象产品角色）：它是工厂类所创建的所有对象的父类，封装了各种产品对象的公有方法，它的引入将提高系统的灵活性，使得在工厂类中只需定义一个通用的工厂方法，因为所有创建的具体产品对象都是其子类对象。

● ConcreteProduct（具体产品角色）：它是简单工厂模式的创建目标，所有被创建的对象都充当这个角色的某个具体类的实例。每一个具体产品角色都继承了抽象产品角色，需要实现在抽象产品中声明的抽象方法。

在简单工厂模式中，客户端通过工厂类来创建一个产品类的实例，而无须直接使用new关键字来创建对象，它是工厂模式家族中最简单的一员。

在使用简单工厂模式时，首先需要对产品类进行重构，不能设计一个包罗万象的产品类，而需根据实际情况设计一个产品层次结构，将所有产品类公共的代码移至抽象产品类，并在抽象产品类中声明一些抽象方法，以供不同的具体产品类来实现，典型的抽象产品类代码如下所示：

abstract class Product {  
    //所有产品类的公共业务方法  
    public void methodSame() {  
        //公共方法的实现  
    }  

   //声明抽象业务方法  
    public abstract void methodDiff();  
}  

在具体产品类中实现了抽象产品类中声明的抽象业务方法，不同的具体产品类可以提供不同的实现，典型的具体产品类代码如下所示：

class ConcreteProduct extends Product {  
    //实现业务方法  
    public void methodDiff() {  
        //业务方法的实现  
    }  
}  

简单工厂模式的核心是工厂类，在没有工厂类之前，客户端一般会使用new关键字来直接创建产品对象，而在引入工厂类之后，客户端可以通过工厂类来创建产品，在简单工厂模式中，工厂类提供了一个静态工厂方法供客户端使用，根据所传入的参数不同可以创建不同的产品对象，典型的工厂类代码如下所示：

class Factory {  
    //静态工厂方法  
    public static Product getProduct(String arg) {  
        Product product = null;  
        if (arg.equalsIgnoreCase("A")) {  
            product = new ConcreteProductA();  
            //初始化设置product  
        }  
        else if (arg.equalsIgnoreCase("B")) {  
            product = new ConcreteProductB();  
            //初始化设置product  
        }  
        return product;  
    }  
}  

在客户端代码中，我们通过调用工厂类的工厂方法即可得到产品对象，典型代码如下所示：

class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        Product product;   
        product = Factory.getProduct("A"); //通过工厂类创建产品对象  
        product.methodSame();  
        product.methodDiff();  
    }  
}  

4.1.1简单工厂模式总结

简单工厂模式提供了专门的工厂类用于创建对象，将对象的创建和对象的使用分离开，它作为一种最简单的工厂模式在软件开发中得到了较为广泛的应用。

1. 简单工厂模式的主要优点如下：

(1) 工厂类包含必要的判断逻辑，可以决定在什么时候创建哪一个产品类的实例，客户端可以免除直接创建产品对象的职责，而仅仅“消费”产品，简单工厂模式实现了对象创建和使用的分离。

(2) 客户端无须知道所创建的具体产品类的类名，只需要知道具体产品类所对应的参数即可，对于一些复杂的类名，通过简单工厂模式可以在一定程度减少使用者的记忆量。

(3) 通过引入配置文件，可以在不修改任何客户端代码的情况下更换和增加新的具体产品类，在一定程度上提高了系统的灵活性。

2. 简单工厂模式的主要缺点如下：

(1) 由于工厂类集中了所有产品的创建逻辑，职责过重，一旦不能正常工作，整个系统都要受到影响。

(2) 使用简单工厂模式势必会增加系统中类的个数（引入了新的工厂类），增加了系统的复杂度和理解难度。

(3) 系统扩展困难，一旦添加新产品就不得不修改工厂逻辑，在产品类型较多时，有可能造成工厂逻辑过于复杂，不利于系统的扩展和维护。

(4) 简单工厂模式由于使用了静态工厂方法，造成工厂角色无法形成基于继承的等级结构。

3. 适用场景

(1) 工厂类负责创建的对象比较少，由于创建的对象较少，不会造成工厂方法中的业务逻辑太过复杂。

(2) 客户端只知道传入工厂类的参数，对于如何创建对象并不关心。

4.2 、工厂三兄弟之工厂方法模式

工厂方法模式(Factory Method Pattern)：定义一个用于创建对象的接口，让子类决定将哪一个类实例化。工厂方法模式让一个类的实例化延迟到其子类。工厂方法模式又简称为工厂模式(Factory Pattern)，又可称作虚拟构造器模式(Virtual Constructor Pattern)或多态工厂模式(Polymorphic Factory Pattern)。工厂方法模式是一种类创建型模式。

在工厂方法模式中，我们不再提供一个统一的工厂类来创建所有的产品对象，而是针对不同的产品提供不同的工厂，系统提供一个与产品等级结构对应的工厂等级结构。
工厂方法模式提供一个抽象工厂接口来声明抽象工厂方法，而由其子类来具体实现工厂方法，创建具体的产品对象。
与简单工厂模式相比，工厂方法模式最重要的区别是引入了抽象工厂角色，抽象工厂可以是接口，也可以是抽象类或者具体类。

在工厂方法模式结构图中包含如下几个角色：

● Product（抽象产品）：它是定义产品的接口，是工厂方法模式所创建对象的超类型，也就是产品对象的公共父类。

● ConcreteProduct（具体产品）：它实现了抽象产品接口，某种类型的具体产品由专门的具体工厂创建，具体工厂和具体产品之间一一对应。

● Factory（抽象工厂）：在抽象工厂类中，声明了工厂方法(Factory Method)，用于返回一个产品。抽象工厂是工厂方法模式的核心，所有创建对象的工厂类都必须实现该接口。

● ConcreteFactory（具体工厂）：它是抽象工厂类的子类，实现了抽象工厂中定义的工厂方法，并可由客户端调用，返回一个具体产品类的实例。

在上图中，Logger接口充当抽象产品，其子类FileLogger和DatabaseLogger充当具体产品，LoggerFactory接口充当抽象工厂，其子类FileLoggerFactory和DatabaseLoggerFactory充当具体工厂。完整代码如下所示：

//日志记录器接口：抽象产品  
interface Logger {  
    public void writeLog();  
}  

//数据库日志记录器：具体产品  
class DatabaseLogger implements Logger {  
    public void writeLog() {  
        System.out.println("数据库日志记录。");  
    }  
}  

//文件日志记录器：具体产品  
class FileLogger implements Logger {  
    public void writeLog() {  
        System.out.println("文件日志记录。");  
    }  
}  

//日志记录器工厂接口：抽象工厂  
interface LoggerFactory {  
    public Logger createLogger();  
}  

//数据库日志记录器工厂类：具体工厂  
class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {  
    public Logger createLogger() {  
            //连接数据库，代码省略  
            //创建数据库日志记录器对象  
            Logger logger = new DatabaseLogger();   
            //初始化数据库日志记录器，代码省略  
            return logger;  
    }     
}  

//文件日志记录器工厂类：具体工厂  
class FileLoggerFactory implements LoggerFactory {  
    public Logger createLogger() {  
            //创建文件日志记录器对象  
            Logger logger = new FileLogger();   
            //创建文件，代码省略  
            return logger;  
    }     
}  

编写如下客户端测试代码：

class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        LoggerFactory factory;  
        Logger logger;  
        factory = new FileLoggerFactory(); //可引入配置文件实现  
        logger = factory.createLogger();  
        logger.writeLog();  
    }  
}  

4.2.1 反射与配置文件

为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性，Sunny公司开发人员决定对日志记录器客户端代码进行重构，使得可以在不修改任何客户端代码的基础上更换或增加新的日志记录方式。

在客户端代码中将不再使用new关键字来创建工厂对象，而是将具体工厂类的类名存储在配置文件（如XML文件）中，通过读取配置文件获取类名字符串，再使用Java的反射机制，根据类名字符串生成对象。在整个实现过程中需要用到两个技术：Java反射机制与配置文件读取。软件系统的配置文件通常为XML文件，我们可以使用DOM (Document Object Model)、SAX (Simple API for XML)、StAX (Streaming API for XML)等技术来处理XML文件。关于DOM、SAX、StAX等技术的详细学习大家可以参考其他相关资料，在此不予扩展。

Java反射(Java Reflection)是指在程序运行时获取已知名称的类或已有对象的相关信息的一种机制，包括类的方法、属性、父类等信息，还包括实例的创建和实例类型的判断等。在反射中使用最多的类是Class，Class类的实例表示正在运行的Java应用程序中的类和接口，其forName(String className)方法可以返回与带有给定字符串名的类或接口相关联的 Class对象，再通过Class对象的newInstance()方法创建此对象所表示的类的一个新实例，即通过一个类名字符串得到类的实例。如创建一个字符串类型的对象，其代码如下：

//通过类名生成实例对象并将其返回  
Class c=Class.forName("String");  
Object obj=c.newInstance();  
return obj;  

此外，在JDK中还提供了java.lang.reflect包，封装了其他与反射相关的类，此处只用到上述简单的反射代码，在此不予扩展。

Sunny公司开发人员创建了如下XML格式的配置文件config.xml用于存储具体日志记录器工厂类类名：

<!— config.xml -->  
<?xml version="1.0"?>  
<config>  
    <className>FileLoggerFactory</className>  
</config>  

为了读取该配置文件并通过存储在其中的类名字符串反射生成对象，Sunny公司开发人员开发了一个名为XMLUtil的工具类，其详细代码如下所示：

//工具类XMLUtil.java  
import javax.xml.parsers.*;  
import org.w3c.dom.*;  
import org.xml.sax.SAXException;  
import java.io.*;  

public class XMLUtil {  
//该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象  
    public static Object getBean() {  
        try {  
            //创建DOM文档对象  
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();  
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();  
            Document doc;                             
            doc = builder.parse(new File("config.xml"));   

            //获取包含类名的文本节点  
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");  
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();  
            String cName=classNode.getNodeValue();  

            //通过类名生成实例对象并将其返回  
            Class c=Class.forName(cName);  
            Object obj=c.newInstance();  
            return obj;  
        }     
        catch(Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
            return null;  
         }  
    }  
}  

有了XMLUtil类后，可以对日志记录器的客户端代码进行修改，不再直接使用new关键字来创建具体的工厂类，而是将具体工厂类的类名存储在XML文件中，再通过XMLUtil类的静态工厂方法getBean()方法进行对象的实例化，代码修改如下：

class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        LoggerFactory factory;  
        Logger logger;  
        factory = (LoggerFactory)XMLUtil.getBean(); //getBean()的返回类型为Object，需要进行强制类型转换  
        logger = factory.createLogger();  
        logger.writeLog();  
    }  
}  

引入XMLUtil类和XML配置文件后，如果要增加新的日志记录方式，只需要执行如下几个步骤：

(1) 新的日志记录器需要继承抽象日志记录器Logger；

(2) 对应增加一个新的具体日志记录器工厂，继承抽象日志记录器工厂LoggerFactory，并实现其中的工厂方法createLogger()，设置好初始化参数和环境变量，返回具体日志记录器对象；

(3) 修改配置文件config.xml，将新增的具体日志记录器工厂类的类名字符串替换原有工厂类类名字符串；

(4)编译新增的具体日志记录器类和具体日志记录器工厂类，运行客户端测试类即可使用新的日志记录方式，而原有类库代码无须做任何修改，完全符合“开闭原则”。

通过上述重构可以使得系统更加灵活，由于很多设计模式都关注系统的可扩展性和灵活性，因此都定义了抽象层，在抽象层中声明业务方法，而将业务方法的实现放在实现层中。

4.2.2 工厂方法的重载

Sunny公司开发人员通过进一步分析，发现可以通过多种方式来初始化日志记录器，例如可以为各种日志记录器提供默认实现；还可以为数据库日志记录器提供数据库连接字符串，为文件日志记录器提供文件路径；也可以将参数封装在一个Object类型的对象中，通过Object对象将配置参数传入工厂类。此时，可以提供一组重载的工厂方法，以不同的方式对产品对象进行创建。当然，对于同一个具体工厂而言，无论使用哪个工厂方法，创建的产品类型均要相同。如图所示：

引入重载方法后，抽象工厂LoggerFactory的代码修改如下：

interface LoggerFactory {  
    public Logger createLogger();  
    public Logger createLogger(String args);  
    public Logger createLogger(Object obj);  
}  

具体工厂类DatabaseLoggerFactory代码修改如下：

class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {  
    public Logger createLogger() {  
            //使用默认方式连接数据库，代码省略  
            Logger logger = new DatabaseLogger();   
            //初始化数据库日志记录器，代码省略  
            return logger;  
    }  

    public Logger createLogger(String args) {  
            //使用参数args作为连接字符串来连接数据库，代码省略  
            Logger logger = new DatabaseLogger();   
            //初始化数据库日志记录器，代码省略  
            return logger;  
    }     

    public Logger createLogger(Object obj) {  
            //使用封装在参数obj中的连接字符串来连接数据库，代码省略  
            Logger logger = new DatabaseLogger();   
            //使用封装在参数obj中的数据来初始化数据库日志记录器，代码省略  
            return logger;  
    }     
}  
//其他具体工厂类代码省略  

   在抽象工厂中定义多个重载的工厂方法，在具体工厂中实现了这些工厂方法，这些方法可以包含不同的业务逻辑，以满足对不同产品对象的需求。

4.2.3 工厂方法的隐藏

有时候，为了进一步简化客户端的使用，还可以对客户端隐藏工厂方法，此时，在工厂类中将直接调用产品类的业务方法，客户端无须调用工厂方法创建产品，直接通过工厂即可使用所创建的对象中的业务方法。

如果对客户端隐藏工厂方法，日志记录器的结构图将修改为图所示：

在图5中，抽象工厂类LoggerFactory的代码修改如下：

//改为抽象类  
abstract class LoggerFactory {  
    //在工厂类中直接调用日志记录器类的业务方法writeLog()  
    public void writeLog() {  
        Logger logger = this.createLogger();  
        logger.writeLog();  
    }  

    public abstract Logger createLogger();    
}  

客户端代码修改如下：

class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        LoggerFactory factory;  
        factory = (LoggerFactory)XMLUtil.getBean();  
        factory.writeLog(); //直接使用工厂对象来调用产品对象的业务方法  
    }  
}  

通过将业务方法的调用移入工厂类，可以直接使用工厂对象来调用产品对象的业务方法，客户端无须直接使用工厂方法，在某些情况下我们也可以使用这种设计方案。

4.2.4、工厂方法模式总结

工厂方法模式是简单工厂模式的延伸，它继承了简单工厂模式的优点，同时还弥补了简单工厂模式的不足。工厂方法模式是使用频率最高的设计模式之一，是很多开源框架和API类库的核心模式。

1. 工厂方法模式的主要优点如下：

(1)
在工厂方法模式中，工厂方法用来创建客户所需要的产品，同时还向客户隐藏了哪种具体产品类将被实例化这一细节，用户只需要关心所需产品对应的工厂，无须关心创建细节，甚至无须知道具体产品类的类名。

(2)
基于工厂角色和产品角色的多态性设计是工厂方法模式的关键。它能够让工厂可以自主确定创建何种产品对象，而如何创建这个对象的细节则完全封装在具体工厂内部。工厂方法模式之所以又被称为多态工厂模式，就正是因为所有的具体工厂类都具有同一抽象父类。

(3)
使用工厂方法模式的另一个优点是在系统中加入新产品时，无须修改抽象工厂和抽象产品提供的接口，无须修改客户端，也无须修改其他的具体工厂和具体产品，而只要添加一个具体工厂和具体产品就可以了，这样，系统的可扩展性也就变得非常好，完全符合“开闭原则”。

2. 工厂方法模式的主要缺点如下：

(1)
在添加新产品时，需要编写新的具体产品类，而且还要提供与之对应的具体工厂类，系统中类的个数将成对增加，在一定程度上增加了系统的复杂度，有更多的类需要编译和运行，会给系统带来一些额外的开销。

(2)
由于考虑到系统的可扩展性，需要引入抽象层，在客户端代码中均使用抽象层进行定义，增加了系统的抽象性和理解难度，且在实现时可能需要用到DOM、反射等技术，增加了系统的实现难度。

3. 适用场景：

(1)
客户端不知道它所需要的对象的类。在工厂方法模式中，客户端不需要知道具体产品类的类名，只需要知道所对应的工厂即可，具体的产品对象由具体工厂类创建，可将具体工厂类的类名存储在配置文件或数据库中。

(2)
抽象工厂类通过其子类来指定创建哪个对象。在工厂方法模式中，对于抽象工厂类只需要提供一个创建产品的接口，而由其子类来确定具体要创建的对象，利用面向对象的多态性和里氏代换原则，在程序运行时，子类对象将覆盖父类对象，从而使得系统更容易扩展。

4.3 、工厂三兄弟之抽象工厂模式

抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern)：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无须指定它们具体的类。抽象工厂模式又称为Kit模式，它是一种对象创建型模式。

抽象工厂模式为创建一组对象提供了一种解决方案。与工厂方法模式相比，抽象工厂模式中的具体工厂不只是创建一种产品，它负责创建一族产品。
当系统所提供的工厂生产的具体产品并不是一个简单的对象，而是多个位于不同产品等级结构、属于不同类型的具体产品时就可以使用抽象工厂模式。
抽象工厂模式是所有形式的工厂模式中最为抽象和最具一般性的一种形式。
抽象工厂模式与工厂方法模式最大的区别在于，工厂方法模式针对的是一个产品等级结构，而抽象工厂模式需要面对多个产品等级结构，一个工厂等级结构可以负责多个不同产品等级结构中的产品对象的创建。当一个工厂等级结构可以创建出分属于不同产品等级结构的一个产品族中的所有对象时，抽象工厂模式比工厂方法模式更为简单、更有效率。

在抽象工厂模式中，每一个具体工厂都提供了多个工厂方法用于产生多种不同类型的产品，这些产品构成了一个产品族，抽象工厂模式结构如图所示：

在抽象工厂模式结构图中包含如下几个角色：

● AbstractFactory（抽象工厂）：它声明了一组用于创建一族产品的方法，每一个方法对应一种产品。

● ConcreteFactory（具体工厂）：它实现了在抽象工厂中声明的创建产品的方法，生成一组具体产品，这些产品构成了一个产品族，每一个产品都位于某个产品等级结构中。

● AbstractProduct（抽象产品）：它为每种产品声明接口，在抽象产品中声明了产品所具有的业务方法。

● ConcreteProduct（具体产品）：它定义具体工厂生产的具体产品对象，实现抽象产品接口中声明的业务方法。

在抽象工厂中声明了多个工厂方法，用于创建不同类型的产品，抽象工厂可以是接口，也可以是抽象类或者具体类，其典型代码如下所示：

abstract class AbstractFactory {  
public abstract AbstractProductA createProductA(); //工厂方法一  
public abstract AbstractProductB createProductB(); //工厂方法二  
……  
}  

具体工厂实现了抽象工厂，每一个具体的工厂方法可以返回一个特定的产品对象，而同一个具体工厂所创建的产品对象构成了一个产品族。对于每一个具体工厂类，其典型代码如下所示：

class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory {  
    //工厂方法一  
public AbstractProductA createProductA() {  
    return new ConcreteProductA1();  
}  

//工厂方法二  
public AbstractProductB createProductB() {  
    return new ConcreteProductB1();  
}  

……  
}  

与工厂方法模式一样，抽象工厂模式也可为每一种产品提供一组重载的工厂方法，以不同的方式对产品对象进行创建。

使用抽象工厂模式来重构界面皮肤库的设计，其基本结构如图所示：

在图中，SkinFactory接口充当抽象工厂，其子类SpringSkinFactory和SummerSkinFactory充当具体工厂，接口Button、TextField和ComboBox充当抽象产品，其子类SpringButton、SpringTextField、SpringComboBox和SummerButton、SummerTextField、SummerComboBox充当具体产品。完整代码如下所示：

//在本实例中我们对代码进行了大量简化，实际使用时，界面组件的初始化代码较为复杂，还需要使用JDK中一些已有类，为了突出核心代码，在此只提供框架代码和演示输出。  
//按钮接口：抽象产品  
interface Button {  
    public void display();  
}  

//Spring按钮类：具体产品  
class SpringButton implements Button {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示浅绿色按钮。");  
    }  
}  

//Summer按钮类：具体产品  
class SummerButton implements Button {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示浅蓝色按钮。");  
    }     
}  

//文本框接口：抽象产品  
interface TextField {  
    public void display();  
}  

//Spring文本框类：具体产品  
class SpringTextField implements TextField {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示绿色边框文本框。");  
    }  
}  

//Summer文本框类：具体产品  
class SummerTextField implements TextField {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示蓝色边框文本框。");  
    }     
}  

//组合框接口：抽象产品  
interface ComboBox {  
    public void display();  
}  

//Spring组合框类：具体产品  
class SpringComboBox implements ComboBox {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示绿色边框组合框。");  
    }  
}  

//Summer组合框类：具体产品  
class SummerComboBox implements ComboBox {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示蓝色边框组合框。");  
    }     
}  

//界面皮肤工厂接口：抽象工厂  
interface SkinFactory {  
    public Button createButton();  
    public TextField createTextField();  
    public ComboBox createComboBox();  
}  

//Spring皮肤工厂：具体工厂  
class SpringSkinFactory implements SkinFactory {  
    public Button createButton() {  
        return new SpringButton();  
    }  

    public TextField createTextField() {  
        return new SpringTextField();  
    }  

    public ComboBox createComboBox() {  
        return new SpringComboBox();  
    }  
}  

//Summer皮肤工厂：具体工厂  
class SummerSkinFactory implements SkinFactory {  
    public Button createButton() {  
        return new SummerButton();  
    }  

    public TextField createTextField() {  
        return new SummerTextField();  
    }  

    public ComboBox createComboBox() {  
        return new SummerComboBox();  
    }  
}  

为了让系统具备良好的灵活性和可扩展性，我们引入了工具类XMLUtil和配置文件，其中，XMLUtil类的代码如下所示：

import javax.xml.parsers.*;  
import org.w3c.dom.*;  
import org.xml.sax.SAXException;  
import java.io.*;  

public class XMLUtil {  
//该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象  
    public static Object getBean() {  
        try {  
            //创建文档对象  
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();  
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();  
            Document doc;                             
            doc = builder.parse(new File("config.xml"));   

            //获取包含类名的文本节点  
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");  
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();  
            String cName=classNode.getNodeValue();  

            //通过类名生成实例对象并将其返回  
            Class c=Class.forName(cName);  
            Object obj=c.newInstance();  
            return obj;  
        }     
        catch(Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
            return null;  
        }  
    }  
}  

配置文件config.xml中存储了具体工厂类的类名，代码如下所示：

<?xml version="1.0"?>  
<config>  
    <className>SpringSkinFactory</className>  
</config>   

编写如下客户端测试代码：

class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        //使用抽象层定义  
        SkinFactory factory;  
        Button bt;  
        TextField tf;  
        ComboBox cb;  
        factory = (SkinFactory)XMLUtil.getBean();  
        bt = factory.createButton();  
        tf = factory.createTextField();  
        cb = factory.createComboBox();  
        bt.display();  
        tf.display();  
        cb.display();  
    }  
}  

编译并运行程序，输出结果如下：

显示浅绿色按钮。

显示绿色边框文本框。

显示绿色边框组合框。

如果需要更换皮肤，只需修改配置文件即可，在实际环境中，我们可以提供可视化界面，例如菜单或者窗口来修改配置文件，用户无须直接修改配置文件。如果需要增加新的皮肤，只需增加一族新的具体组件并对应提供一个新的具体工厂，修改配置文件即可使用新的皮肤，原有代码无须修改，符合“开闭原则”。

4.3.1 “开闭原则”的倾斜性

Sunny公司使用抽象工厂模式设计了界面皮肤库，该皮肤库可以较为方便地增加新的皮肤，但是现在遇到一个非常严重的问题：由于设计时考虑不全面，忘记为单选按钮(RadioButton)提供不同皮肤的风格化显示，导致无论选择哪种皮肤，单选按钮都显得那么“格格不入”。Sunny公司的设计人员决定向系统中增加单选按钮，但是发现原有系统居然不能够在符合“开闭原则”的前提下增加新的组件，原因是抽象工厂SkinFactory中根本没有提供创建单选按钮的方法，如果需要增加单选按钮，首先需要修改抽象工厂接口SkinFactory，在其中新增声明创建单选按钮的方法，然后逐个修改具体工厂类，增加相应方法以实现在不同的皮肤中创建单选按钮，此外还需要修改客户端，否则单选按钮无法应用于现有系统。

怎么办？答案是抽象工厂模式无法解决该问题，这也是抽象工厂模式最大的缺点。在抽象工厂模式中，增加新的产品族很方便，但是增加新的产品等级结构很麻烦，抽象工厂模式的这种性质称为“开闭原则”的倾斜性。“开闭原则”要求系统对扩展开放，对修改封闭，通过扩展达到增强其功能的目的，对于涉及到多个产品族与多个产品等级结构的系统，其功能增强包括两方面：

(1) 增加产品族：对于增加新的产品族，抽象工厂模式很好地支持了“开闭原则”，只需要增加具体产品并对应增加一个新的具体工厂，对已有代码无须做任何修改。

(2) 增加新的产品等级结构：对于增加新的产品等级结构，需要修改所有的工厂角色，包括抽象工厂类，在所有的工厂类中都需要增加生产新产品的方法，违背了“开闭原则”。

正因为抽象工厂模式存在“开闭原则”的倾斜性，它以一种倾斜的方式来满足“开闭原则”，为增加新产品族提供方便，但不能为增加新产品结构提供这样的方便，因此要求设计人员在设计之初就能够全面考虑，不会在设计完成之后向系统中增加新的产品等级结构，也不会删除已有的产品等级结构，否则将会导致系统出现较大的修改，为后续维护工作带来诸多麻烦。

4.3.2 抽象工厂模式总结

抽象工厂模式是工厂方法模式的进一步延伸，由于它提供了功能更为强大的工厂类并且具备较好的可扩展性，在软件开发中得以广泛应用，尤其是在一些框架和API类库的设计中，例如在Java语言的AWT（抽象窗口工具包）中就使用了抽象工厂模式，它使用抽象工厂模式来实现在不同的操作系统中应用程序呈现与所在操作系统一致的外观界面。抽象工厂模式也是在软件开发中最常用的设计模式之一。

1. 抽象工厂模式的主要优点如下：

(1)
抽象工厂模式隔离了具体类的生成，使得客户并不需要知道什么被创建。由于这种隔离，更换一个具体工厂就变得相对容易，所有的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的那些公共接口，因此只需改变具体工厂的实例，就可以在某种程度上改变整个软件系统的行为。

(2)
当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时，它能够保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。

(3)
增加新的产品族很方便，无须修改已有系统，符合“开闭原则”。

2.抽象工厂模式的主要缺点如下：

增加新的产品等级结构麻烦，需要对原有系统进行较大的修改，甚至需要修改抽象层代码，这显然会带来较大的不便，违背了“开闭原则”。

3. 适用场景

(1)
一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节，这对于所有类型的工厂模式都是很重要的，用户无须关心对象的创建过程，将对象的创建和使用解耦。

(2)
系统中有多于一个的产品族，而每次只使用其中某一产品族。可以通过配置文件等方式来使得用户可以动态改变产品族，也可以很方便地增加新的产品族。

(3)
属于同一个产品族的产品将在一起使用，这一约束必须在系统的设计中体现出来。同一个产品族中的产品可以是没有任何关系的对象，但是它们都具有一些共同的约束，如同一操作系统下的按钮和文本框，按钮与文本框之间没有直接关系，但它们都是属于某一操作系统的，此时具有一个共同的约束条件：操作系统的类型。

(4)
产品等级结构稳定，设计完成之后，不会向系统中增加新的产品等级结构或者删除已有的产品等级结构。

五 适配器模式

适配器模式(Adapter Pattern)：将一个接口转换成客户希望的另一个接口，使接口不兼容的那些类可以一起工作，其别名为包装器(Wrapper)。适配器模式既可以作为类结构型模式，也可以作为对象结构型模式。

【注：在适配器模式定义中所提及的接口是指广义的接口，它可以表示一个方法或者方法的集合。】
与电源适配器相似，在适配器模式中引入了一个被称为适配器(Adapter)的包装类，而它所包装的对象称为适配者(Adaptee)，即被适配的类。
适配器的实现就是把客户类的请求转化为对适配者的相应接口的调用。也就是说：当客户类调用适配器的方法时，在适配器类的内部将调用适配者类的方法，而这个过程对客户类是透明的，客户类并不直接访问适配者类。因此，适配器让那些由于接口不兼容而不能交互的类可以一起工作。
适配器模式可以将一个类的接口和另一个类的接口匹配起来，而无须修改原来的适配者接口和抽象目标类接口。

在适配器模式中，我们通过增加一个新的适配器类来解决接口不兼容的问题，使得原本没有任何关系的类可以协同工作。根据适配器类与适配者类的关系不同，适配器模式可分为对象适配器和类适配器两种，在对象适配器模式中，适配器与适配者之间是关联关系；在类适配器模式中，适配器与适配者之间是继承（或实现）关系。

5.1.对象适配器模式

在实际开发中，对象适配器的使用频率更高，对象适配器模式结构如图所示：

在对象适配器模式结构图中包含如下几个角色：

● Target（目标抽象类）：目标抽象类定义客户所需接口，可以是一个抽象类或接口，也可以是具体类。

● Adapter（适配器类）：适配器可以调用另一个接口，作为一个转换器，对Adaptee和Target进行适配，适配器类是适配器模式的核心，在对象适配器中，它通过继承Target并关联一个Adaptee对象使二者产生联系。

● Adaptee（适配者类）：适配者即被适配的角色，它定义了一个已经存在的接口，这个接口需要适配，适配者类一般是一个具体类，包含了客户希望使用的业务方法，在某些情况下可能没有适配者类的源代码。

根据对象适配器模式结构图，在对象适配器中，客户端需要调用request()方法，而适配者类Adaptee没有该方法，但是它所提供的specificRequest()方法却是客户端所需要的。为了使客户端能够使用适配者类，需要提供一个包装类Adapter，即适配器类。这个包装类包装了一个适配者的实例，从而将客户端与适配者衔接起来，在适配器的request()方法中调用适配者的specificRequest()方法。因为适配器类与适配者类是关联关系（也可称之为委派关系），所以这种适配器模式称为对象适配器模式。典型的对象适配器代码如下所示：

class Adapter extends Target {  
    private Adaptee adaptee; //维持一个对适配者对象的引用  

    public Adapter(Adaptee adaptee) {  
        this.adaptee=adaptee;  
    }  

    public void request() {  
        adaptee.specificRequest(); //转发调用  
    }  
}  

使用适配器模式来重用算法库中的算法，其基本结构如图所示：

在图9-4中，ScoreOperation接口充当抽象目标，QuickSort和BinarySearch类充当适配者，OperationAdapter充当适配器。完整代码如下所示：

//抽象成绩操作类：目标接口  
interface ScoreOperation {  
    public int[] sort(int array[]); //成绩排序  
    public int search(int array[],int key); //成绩查找  
}  

//快速排序类：适配者  
class QuickSort {  
    public int[] quickSort(int array[]) {  
        sort(array,0,array.length-1);  
        return array;  
    }  

    public void sort(int array[],int p, int r) {  
        int q=0;  
        if(p<r) {  
            q=partition(array,p,r);  
            sort(array,p,q-1);  
            sort(array,q+1,r);  
        }  
    }  

    public int partition(int[] a, int p, int r) {  
        int x=a[r];  
        int j=p-1;  
        for (int i=p;i<=r-1;i++) {  
            if (a[i]<=x) {  
                j++;  
                swap(a,j,i);  
            }  
        }  
        swap(a,j+1,r);  
        return j+1;   
    }  

    public void swap(int[] a, int i, int j) {     
        int t = a[i];     
        a[i] = a[j];     
        a[j] = t;     
    }  
}  

//二分查找类：适配者  
class BinarySearch {  
    public int binarySearch(int array[],int key) {  
        int low = 0;  
        int high = array.length -1;  
        while(low <= high) {  
            int mid = (low + high) / 2;  
            int midVal = array[mid];  
            if(midVal < key) {    
low = mid +1;    
}  
            else if (midVal > key) {    
high = mid -1;    
}  
            else {    
return 1; //找到元素返回1    
}  
        }  
        return -1;  //未找到元素返回-1  
    }  
}  

//操作适配器：适配器  
class OperationAdapter implements ScoreOperation {  
    private QuickSort sortObj; //定义适配者QuickSort对象  
    private BinarySearch searchObj; //定义适配者BinarySearch对象  

    public OperationAdapter() {  
        sortObj = new QuickSort();  
        searchObj = new BinarySearch();  
    }  

    public int[] sort(int array[]) {    
return sortObj.quickSort(array); //调用适配者类QuickSort的排序方法  
}  

    public int search(int array[],int key) {    
return searchObj.binarySearch(array,key); //调用适配者类BinarySearch的查找方法  
}  
}  

为了让系统具备良好的灵活性和可扩展性，我们引入了工具类XMLUtil和配置文件，其中，XMLUtil类的代码如下所示：

import javax.xml.parsers.*;  
import org.w3c.dom.*;  
import org.xml.sax.SAXException;  
import java.io.*;  
class XMLUtil {  
//该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象  
    public static Object getBean() {  
        try {  
            //创建文档对象  
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();  
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();  
            Document doc;                             
            doc = builder.parse(new File("config.xml"));   

            //获取包含类名的文本节点  
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");  
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();  
            String cName=classNode.getNodeValue();  

            //通过类名生成实例对象并将其返回  
            Class c=Class.forName(cName);  
            Object obj=c.newInstance();  
            return obj;  
        }     
        catch(Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
            return null;  
        }  
    }  
}  

配置文件config.xml中存储了适配器类的类名，代码如下所示：

<?xml version="1.0"?>  
<config>  
    <className>OperationAdapter</className>  
</config>  

编写如下客户端测试代码：

class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        ScoreOperation operation;  //针对抽象目标接口编程  
        operation = (ScoreOperation)XMLUtil.getBean(); //读取配置文件，反射生成对象  
        int scores[] = {84,76,50,69,90,91,88,96}; //定义成绩数组  
        int result[];  
        int score;  

        System.out.println("成绩排序结果：");  
        result = operation.sort(scores);  

        //遍历输出成绩  
        for(int i : scores) {  
            System.out.print(i + ",");  
        }  
        System.out.println();  

        System.out.println("查找成绩90：");  
        score = operation.search(result,90);  
        if (score != -1) {  
            System.out.println("找到成绩90。");  
        }  
        else {  
            System.out.println("没有找到成绩90。");  
        }  

        System.out.println("查找成绩92：");  
        score = operation.search(result,92);  
        if (score != -1) {  
            System.out.println("找到成绩92。");  
        }  
        else {  
            System.out.println("没有找到成绩92。");  
        }  
    }  
}  

编译并运行程序，输出结果如下：

成绩排序结果：

50,69,76,84,88,90,91,96,

查找成绩90：

找到成绩90。

查找成绩92：

没有找到成绩92。

在本实例中使用了对象适配器模式，同时引入了配置文件，将适配器类的类名存储在配置文件中。如果需要使用其他排序算法类和查找算法类，可以增加一个新的适配器类，使用新的适配器来适配新的算法，原有代码无须修改。通过引入配置文件和反射机制，可以在不修改客户端代码的情况下使用新的适配器，无须修改源代码，符合“开闭原则”。

5.2、类适配器、双向适配器

https://blog.csdn.net/lovelion/article/details/8624428
在Java等面向对象编程语言中，大部分情况下我们使用的是对象适配器，类适配器较少使用。 在实际开发中，我们很少使用双向适配器。

5.3、缺省适配器

缺省适配器模式是适配器模式的一种变体，其应用也较为广泛。

缺省适配器模式(Default Adapter Pattern)：当不需要实现一个接口所提供的所有方法时，可先设计一个抽象类实现该接口，并为接口中每个方法提供一个默认实现（空方法），那么该抽象类的子类可以选择性地覆盖父类的某些方法来实现需求，它适用于不想使用一个接口中的所有方法的情况，又称为单接口适配器模式。

缺省适配器模式结构如图所示：

在缺省适配器模式中，包含如下三个角色：

● ServiceInterface（适配者接口）：它是一个接口，通常在该接口中声明了大量的方法。

● AbstractServiceClass（缺省适配器类）：它是缺省适配器模式的核心类，使用空方法的形式实现了在ServiceInterface接口中声明的方法。通常将它定义为抽象类，因为对它进行实例化没有任何意义。

● ConcreteServiceClass（具体业务类）：它是缺省适配器类的子类，在没有引入适配器之前，它需要实现适配者接口，因此需要实现在适配者接口中定义的所有方法，而对于一些无须使用的方法也不得不提供空实现。在有了缺省适配器之后，可以直接继承该适配器类，根据需要有选择性地覆盖在适配器类中定义的方法。

在JDK类库的事件处理包java.awt.event中广泛使用了缺省适配器模式，如WindowAdapter、KeyAdapter、MouseAdapter等。下面我们以处理窗口事件为例来进行说明：在Java语言中，一般我们可以使用两种方式来实现窗口事件处理类，一种是通过实现WindowListener接口，另一种是通过继承WindowAdapter适配器类。如果是使用第一种方式，直接实现WindowListener接口，事件处理类需要实现在该接口中定义的七个方法，而对于大部分需求可能只需要实现一两个方法，其他方法都无须实现，但由于语言特性我们不得不为其他方法也提供一个简单的实现（通常是空实现），这给使用带来了麻烦。而使用缺省适配器模式就可以很好地解决这一问题，在JDK中提供了一个适配器类WindowAdapter来实现WindowListener接口，该适配器类为接口中的每一个方法都提供了一个空实现，此时事件处理类可以继承WindowAdapter类，而无须再为接口中的每个方法都提供实现。如图所示：

5.4、适配器模式总结

适配器模式将现有接口转化为客户类所期望的接口，实现了对现有类的复用，它是一种使用频率非常高的设计模式，在软件开发中得以广泛应用，在Spring等开源框架、驱动程序设计（如JDBC中的数据库驱动程序）中也使用了适配器模式。

1. 无论是对象适配器模式还是类适配器模式都具有如下优点：

(1) 将目标类和适配者类解耦，通过引入一个适配器类来重用现有的适配者类，无须修改原有结构。

(2) 增加了类的透明性和复用性，将具体的业务实现过程封装在适配者类中，对于客户端类而言是透明的，而且提高了适配者的复用性，同一个适配者类可以在多个不同的系统中复用。

(3)灵活性和扩展性都非常好，通过使用配置文件，可以很方便地更换适配器，也可以在不修改原有代码的基础上增加新的适配器类，完全符合“开闭原则”。

具体来说，类适配器模式还有如下优点：

由于适配器类是适配者类的子类，因此可以在适配器类中置换一些适配者的方法，使得适配器的灵活性更强。

对象适配器模式还有如下优点：

(1) 一个对象适配器可以把多个不同的适配者适配到同一个目标；

(2) 可以适配一个适配者的子类，由于适配器和适配者之间是关联关系，根据“里氏代换原则”，适配者的子类也可通过该适配器进行适配。

2. 缺点
类适配器模式的缺点如下：

(1) 对于Java、C#等不支持多重类继承的语言，一次最多只能适配一个适配者类，不能同时适配多个适配者；

(2) 适配者类不能为最终类，如在Java中不能为final类，C#中不能为sealed类；

(3) 在Java、C#等语言中，类适配器模式中的目标抽象类只能为接口，不能为类，其使用有一定的局限性。

对象适配器模式的缺点如下：

与类适配器模式相比，要在适配器中置换适配者类的某些方法比较麻烦。如果一定要置换掉适配者类的一个或多个方法，可以先做一个适配者类的子类，将适配者类的方法置换掉，然后再把适配者类的子类当做真正的适配者进行适配，实现过程较为复杂。

3. 适用场景：

(1) 系统需要使用一些现有的类，而这些类的接口（如方法名）不符合系统的需要，甚至没有这些类的源代码。

(2) 想创建一个可以重复使用的类，用于与一些彼此之间没有太大关联的一些类，包括一些可能在将来引进的类一起工作。

六 装饰模式

6.1、装饰模式

装饰模式(Decorator Pattern)：动态地给一个对象增加一些额外的职责，就增加对象功能来说，装饰模式比生成子类实现更为灵活。装饰模式是一种对象结构型模式。

装饰模式是一种用于替代继承的技术，它通过一种无须定义子类的方式来给对象动态增加职责，使用对象之间的关联关系取代类之间的继承关系。
在装饰模式中引入了装饰类，在装饰类中既可以调用待装饰的原有类的方法，还可以增加新的方法，以扩充原有类的功能。
在装饰模式中，为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性，我们通常会定义一个抽象装饰类，而将具体的装饰类作为它的子类。

装饰模式结构如图所示

在装饰模式结构图中包含如下几个角色：

● Component（抽象构件）：它是具体构件和抽象装饰类的共同父类，声明了在具体构件中实现的业务方法，它的引入可以使客户端以一致的方式处理未被装饰的对象以及装饰之后的对象，实现客户端的透明操作。

● ConcreteComponent（具体构件）：它是抽象构件类的子类，用于定义具体的构件对象，实现了在抽象构件中声明的方法，装饰器可以给它增加额外的职责（方法）。

● Decorator（抽象装饰类）：它也是抽象构件类的子类，用于给具体构件增加职责，但是具体职责在其子类中实现。它维护一个指向抽象构件对象的引用，通过该引用可以调用装饰之前构件对象的方法，并通过其子类扩展该方法，以达到装饰的目的。

● ConcreteDecorator（具体装饰类）：它是抽象装饰类的子类，负责向构件添加新的职责。每一个具体装饰类都定义了一些新的行为，它可以调用在抽象装饰类中定义的方法，并可以增加新的方法用以扩充对象的行为。

由于具体构件类和装饰类都实现了相同的抽象构件接口，因此装饰模式以对客户透明的方式动态地给一个对象附加上更多的责任，换言之，客户端并不会觉得对象在装饰前和装饰后有什么不同。装饰模式可以在不需要创造更多子类的情况下，将对象的功能加以扩展。

装饰模式的核心在于抽象装饰类的设计，其典型代码如下所示：

class Decorator implements Component

{

       private Component component;  //维持一个对抽象构件对象的引用

       public Decorator(Component component)  //注入一个抽象构件类型的对象

       {

              this.component=component;

       }



       public void operation()

       {

              component.operation();  //调用原有业务方法

       }

}

在抽象装饰类Decorator中定义了一个Component类型的对象component，维持一个对抽象构件对象的引用，并可以通过构造方法或Setter方法将一个Component类型的对象注入进来，同时由于Decorator类实现了抽象构件Component接口，因此需要实现在其中声明的业务方法operation()，需要注意的是在Decorator中并未真正实现operation()方法，而只是调用原有component对象的operation()方法，它没有真正实施装饰，而是提供一个统一的接口，将具体装饰过程交给子类完成。

在Decorator的子类即具体装饰类中将继承operation()方法并根据需要进行扩展，典型的具体装饰类代码如下：

class ConcreteDecorator extends Decorator

{

       public ConcreteDecorator(Component  component)

       {

              super(component);

       }



       public void operation()

       {

              super.operation();  //调用原有业务方法

              addedBehavior();  //调用新增业务方法

       }



     //新增业务方法

       public  void addedBehavior()

       {    

         ……

}

}

在具体装饰类中可以调用到抽象装饰类的operation()方法，同时可以定义新的业务方法，如addedBehavior()。

由于在抽象装饰类Decorator中注入的是Component类型的对象，因此我们可以将一个具体构件对象注入其中，再通过具体装饰类来进行装饰；此外，我们还可以将一个已经装饰过的Decorator子类的对象再注入其中进行多次装饰，从而对原有功能的多次扩展。

为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性，克服继承复用所带来的问题，Sunny公司开发人员使用装饰模式来重构图形界面构件库的设计，其中部分类的基本结构如图所示：

在图中，Component充当抽象构件类，其子类Window、TextBox、ListBox充当具体构件类，Component类的另一个子类ComponentDecorator充当抽象装饰类，ComponentDecorator的子类ScrollBarDecorator和BlackBorderDecorator充当具体装饰类。完整代码如下所示：

//抽象界面构件类：抽象构件类，为了突出与模式相关的核心代码，对原有控件代码进行了大量的简化

abstract class Component

{

       public  abstract void display();

}



//窗体类：具体构件类

class Window extends Component

{

       public  void display()

       {

              System.out.println("显示窗体！");

       }

}



//文本框类：具体构件类

class TextBox extends Component

{

       public  void display()

       {

              System.out.println("显示文本框！");

       }

}



//列表框类：具体构件类

class ListBox extends Component

{

       public  void display()

       {

              System.out.println("显示列表框！");

       }

}



//构件装饰类：抽象装饰类

class ComponentDecorator extends Component

{

       private Component component;  //维持对抽象构件类型对象的引用



       public ComponentDecorator(Component  component)  //注入抽象构件类型的对象

       {

              this.component = component;

       }



       public void display()

       {

              component.display();

       }

}



//滚动条装饰类：具体装饰类

class ScrollBarDecorator extends  ComponentDecorator

{

       public ScrollBarDecorator(Component  component)

       {

              super(component);

       }



       public void display()

       {

              this.setScrollBar();

              super.display();

       }



       public  void setScrollBar()

       {

              System.out.println("为构件增加滚动条！");

       }

}



//黑色边框装饰类：具体装饰类

class BlackBorderDecorator extends  ComponentDecorator

{

       public BlackBorderDecorator(Component  component)

       {

              super(component);

       }



       public void display()

       {

              this.setBlackBorder();

              super.display();

       }



       public  void setBlackBorder()

       {

              System.out.println("为构件增加黑色边框！");

       }

}

编写如下客户端测试代码：

class Client

{

       public  static void main(String args[])

       {

              Component component,componentSB;  //使用抽象构件定义

              component = new Window(); //定义具体构件

              componentSB = new  ScrollBarDecorator(component); //定义装饰后的构件

              componentSB.display();

       }

}

编译并运行程序，输出结果如下：

为构件增加滚动条！

显示窗体！

在客户端代码中，我们先定义了一个Window类型的具体构件对象component，然后将component作为构造函数的参数注入到具体装饰类ScrollBarDecorator中，得到一个装饰之后对象componentSB，再调用componentSB的display()方法后将得到一个有滚动条的窗体。如果我们希望得到一个既有滚动条又有黑色边框的窗体，不需要对原有类库进行任何修改，只需将客户端代码修改为如下

class Client{

       public  static void main(String args[])

       {

              Component  component,componentSB,componentBB; //全部使用抽象构件定义

              component = new Window();

              componentSB = new  ScrollBarDecorator(component);

              componentBB = new  BlackBorderDecorator(componentSB); //将装饰了一次之后的对象继续注入到另一个装饰类中，进行第二次装饰

              componentBB.display();

       }

}

运行程序，输出结果如下：

为构件增加黑色边框！

为构件增加滚动条！

显示窗体！

我们可以将装饰了一次之后的componentSB对象注入另一个装饰类BlackBorderDecorator中实现第二次装饰，得到一个经过两次装饰的对象componentBB，再调用componentBB的display()方法即可得到一个既有滚动条又有黑色边框的窗体。

如果需要在原有系统中增加一个新的具体构件类或者新的具体装饰类，无须修改现有类库代码，只需将它们分别作为抽象构件类或者抽象装饰类的子类即可。与图12-2所示的继承结构相比，使用装饰模式之后将大大减少了子类的个数，让系统扩展起来更加方便，而且更容易维护，是取代继承复用的有效方式之一。

6.2、透明装饰模式与半透明装饰模式

装饰模式虽好，但存在一个问题。如果客户端希望单独调用具体装饰类新增的方法，而不想通过抽象构件中声明的方法来调用新增方法时将遇到一些麻烦，我们通过一个实例来对这种情况加以说明：

在Sunny软件公司开发的Sunny OA系统中，采购单(PurchaseRequest)和请假条(LeaveRequest)等文件(Document)对象都具有显示功能，现在要为其增加审批、删除等功能，使用装饰模式进行设计。

我们使用装饰模式可以得到如图所示结构图：

在图中，Document充当抽象构件类，PurchaseRequest和LeaveRequest充当具体构件类，Decorator充当抽象装饰类，Approver和Deleter充当具体装饰类。其中Decorator类和Approver类的示例代码如下所示：

//抽象装饰类

class Decorator implements  Document

{

      private Document  document;



      public Decorator(Document  document)

      {

             this.  document = document;

      }



      public void display()

      {

             document.display();

      }

}



//具体装饰类

class Approver extends  Decorator

{

      public Approver(Document document)

      {

             super(document);

             System.out.println("增加审批功能！");

      }



      public void approve()

      {

             System.out.println("审批文件！");

      }

}

大家注意，Approver类继承了抽象装饰类Decorator的display()方法，同时新增了业务方法approve()，但这两个方法是独立的，没有任何调用关系。如果客户端需要分别调用这两个方法，代码片段如下所示：

Document  doc; //使用抽象构件类型定义

doc = new PurchaseRequest();

Approver newDoc; //使用具体装饰类型定义

newDoc = new Approver(doc);

newDoc.display();//调用原有业务方法

newDoc.approve();//调用新增业务方法

如果newDoc也使用Document类型来定义，将导致客户端无法调用新增业务方法approve()，因为在抽象构件类Document中没有对approve()方法的声明。也就是说，在客户端无法统一对待装饰之前的具体构件对象和装饰之后的构件对象。

在实际使用过程中，由于新增行为可能需要单独调用，因此这种形式的装饰模式也经常出现，这种装饰模式被称为半透明(Semi-transparent)装饰模式，而标准的装饰模式是透明(Transparent)装饰模式。下面我们对这两种装饰模式进行较为详细的介绍：

(1)透明装饰模式

在透明装饰模式中，要求客户端完全针对抽象编程，装饰模式的透明性要求客户端程序不应该将对象声明为具体构件类型或具体装饰类型，而应该全部声明为抽象构件类型。对于客户端而言，具体构件对象和具体装饰对象没有任何区别。也就是应该使用如下代码：

Component  c, c1; //使用抽象构件类型定义对象

c = new ConcreteComponent()；

c1 = new ConcreteDecorator (c)；

而不应该使用如下代码：

ConcreteComponent c; //使用具体构件类型定义对象

c = new ConcreteComponent()；

或

ConcreteDecorator c1; //使用具体装饰类型定义对象

c1 = new ConcreteDecorator(c)；

在12.3节图形界面构件库的设计方案中使用的就是透明装饰模式，在客户端中存在如下代码片段：

……

Component component,componentSB,componentBB; //全部使用抽象构件定义

component = new Window();

componentSB = new ScrollBarDecorator(component);

componentBB = new BlackBorderDecorator(componentSB);

componentBB.display();

……

使用抽象构件类型Component定义全部具体构件对象和具体装饰对象，客户端可以一致地使用这些对象，因此符合透明装饰模式的要求。

透明装饰模式可以让客户端透明地使用装饰之前的对象和装饰之后的对象，无须关心它们的区别，此外，还可以对一个已装饰过的对象进行多次装饰，得到更为复杂、功能更为强大的对象。在实现透明装饰模式时，要求具体装饰类的operation()方法覆盖抽象装饰类的operation()方法，除了调用原有对象的operation()外还需要调用新增的addedBehavior()方法来增加新行为。
(2)半透明装饰模式

透明装饰模式的设计难度较大，而且有时我们需要单独调用新增的业务方法。为了能够调用到新增方法，我们不得不用具体装饰类型来定义装饰之后的对象，而具体构件类型还是可以使用抽象构件类型来定义，这种装饰模式即为半透明装饰模式，也就是说，对于客户端而言，具体构件类型无须关心，是透明的；但是具体装饰类型必须指定，这是不透明的。如本节前面所提到的文件对象功能增加实例，为了能够调用到在Approver中新增方法approve()，客户端代码片段如下所示：

……

Document  doc; //使用抽象构件类型定义

doc = new PurchaseRequest();

Approver newDoc; //使用具体装饰类型定义

newDoc = new Approver(doc);

……

半透明装饰模式可以给系统带来更多的灵活性，设计相对简单，使用起来也非常方便；但是其最大的缺点在于不能实现对同一个对象的多次装饰，而且客户端需要有区别地对待装饰之前的对象和装饰之后的对象。在实现半透明的装饰模式时，我们只需在具体装饰类中增加一个独立的addedBehavior()方法来封装相应的业务处理，由于客户端使用具体装饰类型来定义装饰后的对象，因此可以单独调用addedBehavior()方法来扩展系统功能。

6.3、装饰模式注意事项

(1) 尽量保持装饰类的接口与被装饰类的接口相同，这样，对于客户端而言，无论是装饰之前的对象还是装饰之后的对象都可以一致对待。这也就是说，在可能的情况下，我们应该尽量使用透明装饰模式。

(2) 尽量保持具体构件类ConcreteComponent是一个“轻”类，也就是说不要把太多的行为放在具体构件类中，我们可以通过装饰类对其进行扩展。

(3) 如果只有一个具体构件类，那么抽象装饰类可以作为该具体构件类的直接子类。

6.4、装饰模式总结

  装饰模式降低了系统的耦合度，可以动态增加或删除对象的职责，并使得需要装饰的具体构件类和具体装饰类可以独立变化，以便增加新的具体构件类和具体装饰类。在软件开发中，装饰模式应用较为广泛，例如在JavaIO中的输入流和输出流的设计、javax.swing包中一些图形界面构件功能的增强等地方都运用了装饰模式。

1.装饰模式的主要优点如下：

(1) 对于扩展一个对象的功能，装饰模式比继承更加灵活性，不会导致类的个数急剧增加。

(2) 可以通过一种动态的方式来扩展一个对象的功能，通过配置文件可以在运行时选择不同的具体装饰类，从而实现不同的行为。

(3) 可以对一个对象进行多次装饰，通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合，可以创造出很多不同行为的组合，得到功能更为强大的对象。

(4) 具体构件类与具体装饰类可以独立变化，用户可以根据需要增加新的具体构件类和具体装饰类，原有类库代码无须改变，符合“开闭原则”。

2. 装饰模式的主要缺点如下：

(1)使用装饰模式进行系统设计时将产生很多小对象，这些对象的区别在于它们之间相互连接的方式有所不同，而不是它们的类或者属性值有所不同，大量小对象的产生势必会占用更多的系统资源，在一定程序上影响程序的性能。

(2) 装饰模式提供了一种比继承更加灵活机动的解决方案，但同时也意味着比继承更加易于出错，排错也很困难，对于多次装饰的对象，调试时寻找错误可能需要逐级排查，较为繁琐。

3.适用场景

(1) 在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责。

(2) 当不能采用继承的方式对系统进行扩展或者采用继承不利于系统扩展和维护时可以使用装饰模式。不能采用继承的情况主要有两类：第一类是系统中存在大量独立的扩展，为支持每一种扩展或者扩展之间的组合将产生大量的子类，使得子类数目呈爆炸性增长；第二类是因为类已定义为不能被继承（如Java语言中的final类）。

七 观察者模式

观察者模式(Observer Pattern)：定义对象之间的一种一对多依赖关系，使得每当一个对象状态发生改变时，其相关依赖对象皆得到通知并被自动更新。观察者模式的别名包括发布-订阅（Publish/Subscribe）模式、模型-视图（Model/View）模式、源-监听器（Source/Listener）模式或从属者（Dependents）模式。观察者模式是一种对象行为型模式。

观察者模式是使用频率最高的设计模式之一，它用于建立一种对象与对象之间的依赖关系，一个对象发生改变时将自动通知其他对象，其他对象将相应作出反应。
在观察者模式中，发生改变的对象称为观察目标，而被通知的对象称为观察者，一个观察目标可以对应多个观察者，而且这些观察者之间可以没有任何相互联系，可以根据需要增加和删除观察者，使得系统更易于扩展。

观察者模式结构中通常包括观察目标和观察者两个继承层次结构，其结构如图所示：

在观察者模式结构图中包含如下几个角色：

● Subject（目标）：目标又称为主题，它是指被观察的对象。在目标中定义了一个观察者集合，一个观察目标可以接受任意数量的观察者来观察，它提供一系列方法来增加和删除观察者对象，同时它定义了通知方法notify()。目标类可以是接口，也可以是抽象类或具体类。

● ConcreteSubject（具体目标）：具体目标是目标类的子类，通常它包含有经常发生改变的数据，当它的状态发生改变时，向它的各个观察者发出通知；同时它还实现了在目标类中定义的抽象业务逻辑方法（如果有的话）。如果无须扩展目标类，则具体目标类可以省略。

● Observer（观察者）：观察者将对观察目标的改变做出反应，观察者一般定义为接口，该接口声明了更新数据的方法update()，因此又称为抽象观察者。

● ConcreteObserver（具体观察者）：在具体观察者中维护一个指向具体目标对象的引用，它存储具体观察者的有关状态，这些状态需要和具体目标的状态保持一致；它实现了在抽象观察者Observer中定义的update()方法。通常在实现时，可以调用具体目标类的attach()方法将自己添加到目标类的集合中或通过detach()方法将自己从目标类的集合中删除。

观察者模式描述了如何建立对象与对象之间的依赖关系，以及如何构造满足这种需求的系统。观察者模式包含观察目标和观察者两类对象，一个目标可以有任意数目的与之相依赖的观察者，一旦观察目标的状态发生改变，所有的观察者都将得到通知。作为对这个通知的响应，每个观察者都将监视观察目标的状态以使其状态与目标状态同步，这种交互也称为发布-订阅(Publish-Subscribe)。观察目标是通知的发布者，它发出通知时并不需要知道谁是它的观察者，可以有任意数目的观察者订阅它并接收通知。

下面通过示意代码来对该模式进行进一步分析。首先我们定义一个抽象目标Subject，典型代码如下所示：

import java.util.*;  
abstract class Subject {  
    //定义一个观察者集合用于存储所有观察者对象  
protected ArrayList observers<Observer> = new ArrayList();  

//注册方法，用于向观察者集合中增加一个观察者  
    public void attach(Observer observer) {  
    observers.add(observer);  
}  

    //注销方法，用于在观察者集合中删除一个观察者  
    public void detach(Observer observer) {  
    observers.remove(observer);  
}  

    //声明抽象通知方法  
    public abstract void notify();  
}  

具体目标类ConcreteSubject是实现了抽象目标类Subject的一个具体子类，其典型代码如下所示：

class ConcreteSubject extends Subject {  
    //实现通知方法  
    public void notify() {  
        //遍历观察者集合，调用每一个观察者的响应方法  
        for(Object obs:observers) {  
            ((Observer)obs).update();  
        }  
    }     
}  

抽象观察者角色一般定义为一个接口，通常只声明一个update()方法，为不同观察者的更新（响应）行为定义相同的接口，这个方法在其子类中实现，不同的观察者具有不同的响应方法。抽象观察者Observer典型代码如下所示：

interface Observer {  
    //声明响应方法  
    public void update();  
}  

在具体观察者ConcreteObserver中实现了update()方法，其典型代码如下所示：

class ConcreteObserver implements Observer {  
    //实现响应方法  
    public void update() {  
        //具体响应代码  
    }  
}  

在有些更加复杂的情况下，具体观察者类ConcreteObserver的update()方法在执行时需要使用到具体目标类ConcreteSubject中的状态（属性），因此在ConcreteObserver与ConcreteSubject之间有时候还存在关联或依赖关系，在ConcreteObserver中定义一个ConcreteSubject实例，通过该实例获取存储在ConcreteSubject中的状态。如果ConcreteObserver的update()方法不需要使用到ConcreteSubject中的状态属性，则可以对观察者模式的标准结构进行简化，在具体观察者ConcreteObserver和具体目标ConcreteSubject之间无须维持对象引用。如果在具体层具有关联关系，系统的扩展性将受到一定的影响，增加新的具体目标类有时候需要修改原有观察者的代码，在一定程度上违反了“开闭原则”，但是如果原有观察者类无须关联新增的具体目标，则系统扩展性不受影响。

观察者模式总结

观察者模式是一种使用频率非常高的设计模式，无论是移动应用、Web应用或者桌面应用，观察者模式几乎无处不在，它为实现对象之间的联动提供了一套完整的解决方案，凡是涉及到一对一或者一对多的对象交互场景都可以使用观察者模式。观察者模式广泛应用于各种编程语言的GUI事件处理的实现，在基于事件的XML解析技术（如SAX2）以及Web事件处理中也都使用了观察者模式。

1. 观察者模式的主要优点如下：

(1) 观察者模式可以实现表示层和数据逻辑层的分离，定义了稳定的消息更新传递机制，并抽象了更新接口，使得可以有各种各样不同的表示层充当具体观察者角色。

(2) 观察者模式在观察目标和观察者之间建立一个抽象的耦合。观察目标只需要维持一个抽象观察者的集合，无须了解其具体观察者。由于观察目标和观察者没有紧密地耦合在一起，因此它们可以属于不同的抽象化层次。

(3) 观察者模式支持广播通信，观察目标会向所有已注册的观察者对象发送通知，简化了一对多系统设计的难度。

(4) 观察者模式满足“开闭原则”的要求，增加新的具体观察者无须修改原有系统代码，在具体观察者与观察目标之间不存在关联关系的情况下，增加新的观察目标也很方便。

2.观察者模式的主要缺点如下：

(1) 如果一个观察目标对象有很多直接和间接观察者，将所有的观察者都通知到会花费很多时间。

(2) 如果在观察者和观察目标之间存在循环依赖，观察目标会触发它们之间进行循环调用，可能导致系统崩溃。

(3) 观察者模式没有相应的机制让观察者知道所观察的目标对象是怎么发生变化的，而仅仅只是知道观察目标发生了变化。

3.适用场景

(1) 一个抽象模型有两个方面，其中一个方面依赖于另一个方面，将这两个方面封装在独立的对象中使它们可以各自独立地改变和复用。

(2) 一个对象的改变将导致一个或多个其他对象也发生改变，而并不知道具体有多少对象将发生改变，也不知道这些对象是谁。

(3) 需要在系统中创建一个触发链，A对象的行为将影响B对象，B对象的行为将影响C对象……，可以使用观察者模式创建一种链式触发机制。

八 策略模式

策略模式(Strategy Pattern)：定义一系列算法类，将每一个算法封装起来，并让它们可以相互替换，策略模式让算法独立于使用它的客户而变化，也称为政策模式(Policy)。策略模式是一种对象行为型模式。

在策略模式中，我们可以定义一些独立的类来封装不同的算法，每一个类封装一种具体的算法，在这里，每一个封装算法的类我们都可以称之为一种策略(Strategy)，为了保证这些策略在使用时具有一致性，一般会提供一个抽象的策略类来做规则的定义，而每种算法则对应于一个具体策略类。

策略模式的主要目的是将算法的定义与使用分开，也就是将算法的行为和环境分开，将算法的定义放在专门的策略类中，每一个策略类封装了一种实现算法，使用算法的环境类针对抽象策略类进行编程，符合“依赖倒转原则”。在出现新的算法时，只需要增加一个新的实现了抽象策略类的具体策略类即可。

策略模式结构并不复杂，但我们需要理解其中环境类Context的作用，其结构如图所示：

在策略模式结构图中包含如下几个角色：

● Context（环境类）：环境类是使用算法的角色，它在解决某个问题（即实现某个方法）时可以采用多种策略。在环境类中维持一个对抽象策略类的引用实例，用于定义所采用的策略。

● Strategy（抽象策略类）：它为所支持的算法声明了抽象方法，是所有策略类的父类，它可以是抽象类或具体类，也可以是接口。环境类通过抽象策略类中声明的方法在运行时调用具体策略类中实现的算法。

● ConcreteStrategy（具体策略类）：它实现了在抽象策略类中声明的算法，在运行时，具体策略类将覆盖在环境类中定义的抽象策略类对象，使用一种具体的算法实现某个业务处理。

策略模式是一个比较容易理解和使用的设计模式，策略模式是对算法的封装，它把算法的责任和算法本身分割开，委派给不同的对象管理。策略模式通常把一个系列的算法封装到一系列具体策略类里面，作为抽象策略类的子类。在策略模式中，对环境类和抽象策略类的理解非常重要，环境类是需要使用算法的类。在一个系统中可以存在多个环境类，它们可能需要重用一些相同的算法。

在使用策略模式时，我们需要将算法从Context类中提取出来，首先应该创建一个抽象策略类，其典型代码如下所示：

abstract class AbstractStrategy {  
    public abstract void algorithm(); //声明抽象算法  
}  

然后再将封装每一种具体算法的类作为该抽象策略类的子类，如下代码所示：

class ConcreteStrategyA extends AbstractStrategy {  
    //算法的具体实现  
    public void algorithm() {  
       //算法A  
    }  
} 

其他具体策略类与之类似，对于Context类而言，在它与抽象策略类之间建立一个关联关系，其典型代码如下所示：

class Context {  
private AbstractStrategy strategy; //维持一个对抽象策略类的引用  

    public void setStrategy(AbstractStrategy strategy) {  
        this.strategy= strategy;  
    }  

    //调用策略类中的算法  
    public void algorithm() {  
        strategy.algorithm();  
    }  
}  

在Context类中定义一个AbstractStrategy类型的对象strategy，通过注入的方式在客户端传入一个具体策略对象，客户端代码片段如下所示：

……  
Context context = new Context();  
AbstractStrategy strategy;  
strategy = new ConcreteStrategyA(); //可在运行时指定类型  
context.setStrategy(strategy);  
context.algorithm();  
……  

在客户端代码中只需注入一个具体策略对象，可以将具体策略类类名存储在配置文件中，通过反射来动态创建具体策略对象，从而使得用户可以灵活地更换具体策略类，增加新的具体策略类也很方便。策略模式提供了一种可插入式(Pluggable)算法的实现方案。

8.1 策略模式的两个典型应用

策略模式实用性强、扩展性好，在软件开发中得以广泛使用，是使用频率较高的设计模式之一。下面将介绍策略模式的两个典型应用实例，一个来源于Java SE，一个来源于微软公司推出的演示项目PetShop。

(1) Java SE的容器布局管理就是策略模式的一个经典应用实例，其基本结构示意图如图所示：

在Java SE开发中，用户需要对容器对象Container中的成员对象如按钮、文本框等GUI控件进行布局(Layout)，在程序运行期间由客户端动态决定一个Container对象如何布局，Java语言在JDK中提供了几种不同的布局方式，封装在不同的类中，如BorderLayout、FlowLayout、GridLayout、GridBagLayout和CardLayout等。在图24-3中，Container类充当环境角色Context，而LayoutManager作为所有布局类的公共父类扮演了抽象策略角色，它给出所有具体布局类所需的接口，而具体策略类是LayoutManager的子类，也就是各种具体的布局类，它们封装了不同的布局方式。

任何人都可以设计并实现自己的布局类，只需要将自己设计的布局类作为LayoutManager的子类就可以，比如传奇的Borland公司（现在已是传说，难过）曾在JBuilder中提供了一种新的布局方式——XYLayout，作为对JDK提供的Layout类的补充。对于客户端而言，只需要使用Container类提供的setLayout()方法就可设置任何具体布局方式，无须关心该布局的具体实现。在JDK中，Container类的代码片段如下：

public class Container extends Component {  
    ……  
    LayoutManager layoutMgr;  
    ……  
    public void setLayout(LayoutManager mgr) {  
    layoutMgr = mgr;  
    ……  
    }  
    ……  
}  

从上述代码可以看出，Container作为环境类，针对抽象策略类LayoutManager进行编程，用户在使用时，根据“里氏代换原则”，只需要在setLayout()方法中传入一个具体布局对象即可，无须关心它的具体实现。

(2) 除了基于Java语言的应用外，在使用其他面向对象技术开发的软件中，策略模式也得到了广泛的应用。

在微软公司提供的演示项目PetShop 4.0中就使用策略模式来处理同步订单和异步订单的问题。在PetShop 4.0的BLL（Business Logic Layer，业务逻辑层）子项目中有一个OrderAsynchronous类和一个OrderSynchronous类，它们都继承自IOrderStrategy接口，如图所示：

在图中，OrderSynchronous以一种同步的方式处理订单，而OrderAsynchronous先将订单存放在一个队列中，然后再对队列里的订单进行处理，以一种异步方式对订单进行处理。BLL的Order类通过反射机制从配置文件中读取策略配置的信息，以决定到底是使用哪种订单处理方式。配置文件web.config中代码片段如下所示：

……  
<add key="OrderStrategyClass" value="PetShop.BLL.OrderSynchronous"/>  
……  

用户只需要修改配置文件即可更改订单处理方式，提高了系统的灵活性。

8.2 策略模式总结

策略模式用于算法的自由切换和扩展，它是应用较为广泛的设计模式之一。策略模式对应于解决某一问题的一个算法族，允许用户从该算法族中任选一个算法来解决某一问题，同时可以方便地更换算法或者增加新的算法。只要涉及到算法的封装、复用和切换都可以考虑使用策略模式。

1. 策略模式的主要优点如下：

(1)
策略模式提供了对“开闭原则”的完美支持，用户可以在不修改原有系统的基础上选择算法或行为，也可以灵活地增加新的算法或行为。

(2)
策略模式提供了管理相关的算法族的办法。策略类的等级结构定义了一个算法或行为族，恰当使用继承可以把公共的代码移到抽象策略类中，从而避免重复的代码。

(3)
策略模式提供了一种可以替换继承关系的办法。如果不使用策略模式，那么使用算法的环境类就可能会有一些子类，每一个子类提供一种不同的算法。但是，这样一来算法的使用就和算法本身混在一起，不符合“单一职责原则”，决定使用哪一种算法的逻辑和该算法本身混合在一起，从而不可能再独立演化；而且使用继承无法实现算法或行为在程序运行时的动态切换。

(4)
使用策略模式可以避免多重条件选择语句。多重条件选择语句不易维护，它把采取哪一种算法或行为的逻辑与算法或行为本身的实现逻辑混合在一起，将它们全部硬编码(Hard
Coding)在一个庞大的多重条件选择语句中，比直接继承环境类的办法还要原始和落后。

(5)
策略模式提供了一种算法的复用机制，由于将算法单独提取出来封装在策略类中，因此不同的环境类可以方便地复用这些策略类。

2. 策略模式的主要缺点如下：

(1)
客户端必须知道所有的策略类，并自行决定使用哪一个策略类。这就意味着客户端必须理解这些算法的区别，以便适时选择恰当的算法。换言之，策略模式只适用于客户端知道所有的算法或行为的情况。

(2)
策略模式将造成系统产生很多具体策略类，任何细小的变化都将导致系统要增加一个新的具体策略类。

(3)
无法同时在客户端使用多个策略类，也就是说，在使用策略模式时，客户端每次只能使用一个策略类，不支持使用一个策略类完成部分功能后再使用另一个策略类来完成剩余功能的情况。

3. 在以下情况下可以考虑使用策略模式：

(1)
一个系统需要动态地在几种算法中选择一种，那么可以将这些算法封装到一个个的具体算法类中，而这些具体算法类都是一个抽象算法类的子类。换言之，这些具体算法类均有统一的接口，根据“里氏代换原则”和面向对象的多态性，客户端可以选择使用任何一个具体算法类，并只需要维持一个数据类型是抽象算法类的对象。

(2)
一个对象有很多的行为，如果不用恰当的模式，这些行为就只好使用多重条件选择语句来实现。此时，使用策略模式，把这些行为转移到相应的具体策略类里面，就可以避免使用难以维护的多重条件选择语句。

(3)
不希望客户端知道复杂的、与算法相关的数据结构，在具体策略类中封装算法与相关的数据结构，可以提高算法的保密性与安全性。