JAVA设计模式学习笔记：创建型模式——01

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 Principle）
  
  • 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，而基类与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架构出发、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，又称最少知道原则（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。

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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。

工厂模式（Factory Pattern）

• 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。

• 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。

• 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，同时也增加了系统具体类的依赖。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硬盘、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。如果使用工厂模式，就需要引入一个工厂类，会增加系统的复杂度。
  

  

抽象工厂模式

• 意图：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。

• 主要解决：主要解决接口选择的问题。

• 何时使用：系统的产品有多于一个的产品族，而系统只消费其中某一族的产品。

• 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，一系列具体产品）、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 OO 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（某一具体产品），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（另一个抽象产品）。

• 优点：当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时，它能保证客户端始终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。
  

• Sunny软件公司欲开发一套界面皮肤库设计
  
• Sunny软件公司欲开发一套界面皮肤库架构
  
• 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。
• 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。
• Sunny公司开发人员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();  
    }  
}

单例设计模式

• 意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

• 主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

• 何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

• 如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

• 关键代码：构造函数是私有的。

• 应用实例： 1、一个党只能有一个主席。 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

• 优点： 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

• 缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

• 使用场景： 1、要求生产唯一序列号。 2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

• 注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。
  

• Sunny公司开发人员通过分析和权衡，决定使用单例模式来设计该负载均衡器，结构图如图所示：
  
• 懒汉式完美实现线程安全
  
  • 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;   
    }  
}

• 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。可见，无论是饿汉式单例还是懒汉式单例都存在这样那样的问题，有没有一种方法，能够将两种单例的缺点都克服，而将两者的优点合二为一呢？答案是：Yes！下面我们来学习这种更好的被称之为Initialization Demand Holder (IoDH)的技术。
• 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);  
    }  
}

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原型模式

• 原型模式（Prototype Pattern）是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。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。

• 意图：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。

• 主要解决：在运行期建立和删除原型。

• 何时使用： 1、当一个系统应该独立于它的产品创建，构成和表示时。 2、当要实例化的类是在运行时刻指定时，例如，通过动态装载。 3、为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时。 4、当一个类的实例只能有几个不同状态组合中的一种时。建立相应数目的原型并克隆它们可能比每次用合适的状态手工实例化该类更方便一些。

• 如何解决：利用已有的一个原型对象，快速地生成和原型对象一样的实例。

• 关键代码： 1、实现克隆操作，在 JAVA 继承 Cloneable，重写 clone()，在 .NET 中可以使用 Object 类的 MemberwiseClone() 方法来实现对象的浅拷贝或通过序列化的方式来实现深拷贝。 2、原型模式同样用于隔离类对象的使用者和具体类型（易变类）之间的耦合关系，它同样要求这些”易变类”拥有稳定的接口。

• 应用实例： 1、细胞分裂。 2、JAVA 中的 Object clone() 方法。

• 优点： 1、性能提高。 2、逃避构造函数的约束。

• 缺点： 1、配备克隆方法需要对类的功能进行通盘考虑，这对于全新的类不是很难，但对于已有的类不一定很容易，特别当一个类引用不支持串行化的间接对象，或者引用含有循环结构的时候。 2、必须实现 Cloneable 接口。

• 使用场景： 1、资源优化场景。 2、类初始化需要消化非常多的资源，这个资源包括数据、硬件资源等。 3、性能和安全要求的场景。 4、通过 new 产生一个对象需要非常繁琐的数据准备或访问权限，则可以使用原型模式。 5、一个对象多个修改者的场景。 6、一个对象需要提供给其他对象访问，而且各个调用者可能都需要修改其值时，可以考虑使用原型模式拷贝多个对象供调用者使用。 7、在实际项目中，原型模式很少单独出现，一般是和工厂方法模式一起出现，通过 clone 的方法创建一个对象，然后由工厂方法提供给调用者。原型模式已经与 Java 融为浑然一体，大家可以随手拿来使用。

• 注意事项：与通过对一个类进行实例化来构造新对象不同的是，原型模式是通过拷贝一个现有对象生成新对象的。浅拷贝实现 Cloneable，重写，深拷贝是通过实现 Serializable 读取二进制流。

• 浅克隆：
  
  • 在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型，将复制一份给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型，则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。简单来说，在浅克隆中，当对象被复制时只复制它本身和其中包含的值类型的成员变量，而引用类型的成员对象并没有复制
    
    
• 2.深克隆
  
  • 在深克隆中，无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象，深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。简单来说，在深克隆中，除了对象本身被复制外，对象所包含的所有成员变量也将复制
    
    

//使用序列化技术实现深克隆
       public WeeklyLog deepClone() throws  IOException, ClassNotFoundException, OptionalDataException
       {
              //将对象写入流中
              ByteArrayOutputStream bao=new  ByteArrayOutputStream();
              ObjectOutputStream oos=new  ObjectOutputStream(bao);
              oos.writeObject(this);

              //将对象从流中取出
              ByteArrayInputStream bis=new  ByteArrayInputStream(bao.toByteArray());
              ObjectInputStream ois=new  ObjectInputStream(bis);
              return  (WeeklyLog)ois.readObject();
       }

• 使用带原型管理器的原型模式实现公文管理器的设计
  

import java.util.*;

//抽象公文接口，也可定义为抽象类，提供clone()方法的实现，将业务方法声明为抽象方法
interface OfficialDocument extends Cloneable {
    public OfficialDocument clone();

    public void display();
}

//可行性分析报告(Feasibility Analysis Report)类
class FAR implements OfficialDocument {
    public OfficialDocument clone() {
        OfficialDocument far = null;
        try {
            far = (OfficialDocument) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("不支持复制！");
        }
        return far;
    }

    public void display() {
        System.out.println("《可行性分析报告》");
    }
}

//软件需求规格说明书(Software Requirements Specification)类
class SRS implements OfficialDocument {
    public OfficialDocument clone() {
        OfficialDocument srs = null;
        try {
            srs = (OfficialDocument) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            System.out.println("不支持复制！");
        }
        return srs;
    }

    public void display() {
        System.out.println("《软件需求规格说明书》");
    }
}

//原型管理器（使用饿汉式单例实现）
class PrototypeManager {
    //定义一个Hashtable，用于存储原型对象
    private Hashtable ht = new Hashtable();
    private static PrototypeManager pm = new PrototypeManager();

    //为Hashtable增加公文对象   
    private PrototypeManager() {
        ht.put("far", new FAR());
        ht.put("srs", new SRS());
    }

    //增加新的公文对象
    public void addOfficialDocument(String key, OfficialDocument doc) {
        ht.put(key, doc);
    }

    //通过浅克隆获取新的公文对象
    public OfficialDocument getOfficialDocument(String key) {
        return ((OfficialDocument) ht.get(key)).clone();
    }

    public static PrototypeManager getPrototypeManager() {
        return pm;
    }
}

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创建者模式

• 建造者模式又称为生成器模式，它是一种较为复杂、使用频率也相对较低的创建型模式。建造者模式为客户端返回的不是一个简单的产品，而是一个由多个部件组成的复杂产品。

• 意图：将一个复杂的构建与其表示相分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

• 主要解决：主要解决在软件系统中，有时候面临着”一个复杂对象”的创建工作，其通常由各个部分的子对象用一定的算法构成；由于需求的变化，这个复杂对象的各个部分经常面临着剧烈的变化，但是将它们组合在一起的算法却相对稳定。

• 何时使用：一些基本部件不会变，而其组合经常变化的时候。

• 如何解决：将变与不变分离开。

• 关键代码：建造者：创建和提供实例，导演：管理建造出来的实例的依赖关系。

• 应用实例： 1、去肯德基，汉堡、可乐、薯条、炸鸡翅等是不变的，而其组合是经常变化的，生成出所谓的”套餐”。 2、JAVA 中的 StringBuilder。

• 优点： 1、建造者独立，易扩展。 2、便于控制细节风险。

• 缺点： 1、产品必须有共同点，范围有限制。 2、如内部变化复杂，会有很多的建造类。

• 使用场景： 1、需要生成的对象具有复杂的内部结构。 2、需要生成的对象内部属性本身相互依赖。

• 注意事项：与工厂模式的区别是：建造者模式更加关注与零件装配的顺序。
  

• 建造者模式(Builder Pattern)：将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。建造者模式是一种对象创建型模式。
• 建造者模式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。