Java 中几种常用设计模式

Java 中一般认为有23种设计模式，当然暂时不需要所有的都会，但是其中常见的几种设计模式应该去掌握。
总体来说设计模式分为三大类：
创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。
结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。
行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

1. 单例模式

所谓的单例设计指的是一个类只允许产生一个实例化对象。
最好理解的一种设计模式，分为懒汉式和饿汉式。

饿汉式：构造方法私有化，外部无法产生新的实例化对象，只能通过static方法取得实例化对象

class Singleton {
    /**
     * 在类的内部可以访问私有结构，所以可以在类的内部产生实例化对象
     */
    private static Singleton instance = new Singleton();
    /**
     * private 声明构造
     */
    private Singleton() {

    }
    /**
     * 返回对象实例
     */
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    public void print() {
        System.out.println("Hello Singleton...");
    }
}

懒汉式：当第一次去使用Singleton对象的时候才会为其产生实例化对象的操作

class Singleton {

    /**
     * 声明变量
     */
    private static volatile Singleton singleton = null;

    /**
     * 私有构造方法
     */
    private Singleton() {

    }

    /**
     * 提供对外方法
     * @return 
     */
    public static Singleton getInstance() {
        // 还未实例化
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
    public void print() {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

当多个线程并发执行 getInstance 方法时，懒汉式会存在线程安全问题，所以用到了 synchronized 来实现线程的同步，当一个线程获得锁的时候其他线程就只能在外等待其执行完毕。而饿汉式则不存在线程安全的问题。

2. 工厂设计模式

工厂模式分为工厂方法模式和抽象工厂模式。

工厂方法模式

工厂方法模式：
1. 工厂方法模式分为三种：普通工厂模式，就是建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。
2. 多个工厂方法模式，是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。
3. 静态工厂方法模式，将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。

1. 普通工厂模式

建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。

interface Sender {
    void Send();
}

class MailSender implements Sender {

    @Override
    public void Send() {
        System.out.println("This is mail sender...");
    }
}

class SmsSender implements Sender {

    @Override
    public void Send() {
        System.out.println("This is sms sender...");
    }
}

public class FactoryPattern {
    public static void main(String[] args) {
        Sender sender = produce("mail");
        sender.Send();
    }
    public static Sender produce(String str) {
        if ("mail".equals(str)) {
            return new MailSender();
        } else if ("sms".equals(str)) {
            return new SmsSender();
        } else {
            System.out.println("输入错误...");
            return null;
        }
    }
}

2. 多个工厂方法模式

该模式是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。

interface Sender {
    void Send();
}

class MailSender implements Sender {

    @Override
    public void Send() {
        System.out.println("This is mail sender...");
    }
}

class SmsSender implements Sender {

    @Override
    public void Send() {
        System.out.println("This is sms sender...");
    }
}

class SendFactory {
    public Sender produceMail() {
        return new MailSender();
    }

    public Sender produceSms() {
        return new SmsSender();
    }
}

public class FactoryPattern {
    public static void main(String[] args) {
        SendFactory factory = new SendFactory();
        Sender sender = factory.produceMail();
        sender.Send();
    }
}

3. 静态工厂方法模式

将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。

interface Sender {
    void Send();
}

class MailSender implements Sender {

    @Override
    public void Send() {
        System.out.println("This is mail sender...");
    }
}

class SmsSender implements Sender {

    @Override
    public void Send() {
        System.out.println("This is sms sender...");
    }
}

class SendFactory {
    public static Sender produceMail() {
        return new MailSender();
    }

    public static Sender produceSms() {
        return new SmsSender();
    }
}

public class FactoryPattern {
    public static void main(String[] args) {
        Sender sender = SendFactory.produceMail();
        sender.Send();
    }
}

抽象工厂模式

工厂方法模式有一个问题就是，类的创建依赖工厂类，也就是说，如果想要扩展程序，必须对工厂类进行修改，这违背了闭包原则，所以，从设计角度考虑，有一定的问题，如何解决？
那么这就用到了抽象工厂模式，创建多个工厂类，这样一旦需要增加新的功能，直接增加新的工厂类就可以了，不需要修改之前的代码。

interface Provider {
    Sender produce();
}

interface Sender {
    void Send();
}

class MailSender implements Sender {

    public void Send() {
        System.out.println("This is mail sender...");
    }
}

class SmsSender implements Sender {

    public void Send() {
        System.out.println("This is sms sender...");
    }
}

class SendMailFactory implements Provider {

    public Sender produce() {
        return new MailSender();
    }
}

class SendSmsFactory implements Provider {

    public Sender produce() {
        return new SmsSender();
    }
}


public class FactoryPattern {
    public static void main(String[] args) {
        Provider provider = new SendMailFactory();
        Sender sender = provider.produce();
        sender.Send();
    }
}

3. 建造者模式

工厂类模式提供的是创建单个类的模式，而建造者模式则是将各种产品集中起来管理，用来创建复合对象，所谓复合对象就是指某个类具有不同的属性。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @Author: LiuWang
 * @Created: 2018/8/6 17:47
 */

abstract class Builder {
    /**
     * 第一步：装CPU
     */
   public abstract void buildCPU();

    /**
     * 第二步：装主板
     */
    public abstract void buildMainBoard();

    /**
     * 第三步：装硬盘
     */
    public abstract void buildHD();

    /**
     * 获得组装好的电脑
     * @return
     */
    public abstract Computer getComputer();
}

/**
 * 装机人员装机
 */
class Director {
    public void Construct(Builder builder) {
        builder.buildCPU();
        builder.buildMainBoard();
        builder.buildHD();
    }
}

/**
 * 具体的装机人员
 */
class ConcreteBuilder extends  Builder {

    Computer computer = new Computer();

    @Override
    public void buildCPU() {
        computer.Add("装CPU");
    }

    @Override
    public void buildMainBoard() {
        computer.Add("装主板");
    }

    @Override
    public void buildHD() {
        computer.Add("装硬盘");
    }

    @Override
    public Computer getComputer() {
        return computer;
    }
}

class Computer {

    /**
     * 电脑组件集合
     */
    private List<String> parts = new ArrayList<String>();

    public void Add(String part) {
        parts.add(part);
    }

    public void print() {
        for (int i = 0; i < parts.size(); i++) {
            System.out.println("组件:" + parts.get(i) + "装好了...");
        }
        System.out.println("电脑组装完毕...");
    }
}

public class BuilderPattern {

    public static void main(String[] args) {
        Director director = new Director();
        Builder builder = new ConcreteBuilder();
        director.Construct(builder);
        Computer computer = builder.getComputer();
        computer.print();
    }
}

4. 适配器设计模式

适配器模式是将某个类的接口转换成客户端期望的另一个接口表示，目的是消除由于接口不匹配所造成的的类的兼容性问题。主要分三类：类的适配器模式、对象的适配器模式、接口的适配器模式。

1. 类的适配器模式：

class Source {
    public void method1() {
        System.out.println("This is original method...");
    }
}

interface Targetable {

    /**
     * 与原类中的方法相同
     */
    public void method1();

    /**
     * 新类的方法
     */
    public void method2();
}

class Adapter extends Source implements Targetable {

    @Override
    public void method2() {
        System.out.println("This is the targetable method...");
    }
}

public class AdapterPattern {
    public static void main(String[] args) {
        Targetable targetable = new Adapter();
        targetable.method1();
        targetable.method2();
    }
}

2. 对象的适配器模式

基本思路和类的适配器模式相同，只是将Adapter 类作修改，这次不继承Source 类，而是持有Source 类的实例，以达到解决兼容性的问题。

class Source {
    public void method1() {
        System.out.println("This is original method...");
    }
}

interface Targetable {

    /**
     * 与原类中的方法相同
     */
    public void method1();

    /**
     * 新类的方法
     */
    public void method2();
}

class Wrapper implements Targetable {

    private Source source;

    public Wrapper(Source source) {
        super();
        this.source = source;
    }

    @Override
    public void method1() {
        source.method1();
    }

    @Override
    public void method2() {
        System.out.println("This is the targetable method...");
    }
}

public class AdapterPattern {
    public static void main(String[] args) {
        Source source = new Source();
        Targetable targetable = new Wrapper(source);
        targetable.method1();
        targetable.method2();
    }
}

3. 接口的适配器模式

接口的适配器是这样的：有时我们写的一个接口中有多个抽象方法，当我们写该接口的实现类时，必须实现该接口的所有方法，这明显有时比较浪费，因为并不是所有的方法都是我们需要的，有时只需要某一些，此处为了解决这个问题，我们引入了接口的适配器模式，借助于一个抽象类，该抽象类实现了该接口，实现了所有的方法，而我们不和原始的接口打交道，只和该抽象类取得联系，所以我们写一个类，继承该抽象类，重写我们需要的方法就行。

/**
 * 定义端口接口，提供通信服务
 */
interface Port {
    /**
     * 远程SSH端口为22
     */
    void SSH();

    /**
     * 网络端口为80
     */
    void NET();

    /**
     * Tomcat容器端口为8080
     */
    void Tomcat();

    /**
     * MySQL数据库端口为3306
     */
    void MySQL();
}

/**
 * 定义抽象类实现端口接口，但是什么事情都不做
 */
abstract class Wrapper implements Port {
    @Override
    public void SSH() {

    }

    @Override
    public void NET() {

    }

    @Override
    public void Tomcat() {

    }

    @Override
    public void MySQL() {

    }
}

/**
 * 提供聊天服务
 * 需要网络功能
 */
class Chat extends Wrapper {
    @Override
    public void NET() {
        System.out.println("Hello World...");
    }
}

/**
 * 网站服务器
 * 需要Tomcat容器，Mysql数据库，网络服务，远程服务
 */
class Server extends Wrapper {
    @Override
    public void SSH() {
        System.out.println("Connect success...");
    }

    @Override
    public void NET() {
        System.out.println("WWW...");
    }

    @Override
    public void Tomcat() {
        System.out.println("Tomcat is running...");
    }

    @Override
    public void MySQL() {
        System.out.println("MySQL is running...");
    }
}

public class AdapterPattern {

    private static Port chatPort = new Chat();
    private static Port serverPort = new Server();

    public static void main(String[] args) {
        // 聊天服务
        chatPort.NET();

        // 服务器
        serverPort.SSH();
        serverPort.NET();
        serverPort.Tomcat();
        serverPort.MySQL();
    }
}

5. 装饰模式

顾名思义，装饰模式就是给一个对象增加一些新的功能，而且是动态的，要求装饰对象和被装饰对象实现同一个接口，装饰对象持有被装饰对象的实例。

interface Shape {
    void draw();
}

/**
 * 实现接口的实体类
 */
class Rectangle implements Shape {

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Shape: Rectangle...");
    }
}

class Circle implements Shape {

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Shape: Circle...");
    }
}

/**
 * 创建实现了 Shape 接口的抽象装饰类。
 */
abstract class ShapeDecorator implements Shape {
    protected Shape decoratedShape;

    public ShapeDecorator(Shape decoratedShape) {
        this.decoratedShape = decoratedShape;
    }

    @Override
    public void draw() {
        decoratedShape.draw();
    }
}

/**
 *  创建扩展自 ShapeDecorator 类的实体装饰类。
 */
class RedShapeDecorator extends ShapeDecorator {

    public RedShapeDecorator(Shape decoratedShape) {
        super(decoratedShape);
    }

    @Override
    public void draw() {
        decoratedShape.draw();
        setRedBorder(decoratedShape);
    }

    private void setRedBorder(Shape decoratedShape) {
        System.out.println("Border Color: Red");
    }
}

/**
 * 使用 RedShapeDecorator 来装饰 Shape 对象。
 */
public class DecoratorPattern {
    public static void main(String[] args) {
        Shape circle = new Circle();
        Shape redCircle = new RedShapeDecorator(new Circle());
        Shape redRectangle = new RedShapeDecorator(new Rectangle());
        System.out.println("Circle with normal border");
        circle.draw();

        System.out.println("\nCircle of red border");
        redCircle.draw();

        System.out.println("\nRectangle of red border");
        redRectangle.draw();
    }
}

6. 策略模式

策略模式定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使他们可以相互替换，且算法的变化不会影响到使用算法的客户。需要设计一个接口，为一系列实现类提供统一的方法，多个实现类实现该接口，设计一个抽象类（可有可无，属于辅助类），提供辅助函数。策略模式的决定权在用户，系统本身提供不同算法的实现，新增或者删除算法，对各种算法做封装。因此，策略模式多用在算法决策系统中，外部用户只需要决定用哪个算法即可。

/**
 * 抽象算法的策略类，定义所有支持的算法的公共接口
 */
abstract class Strategy {
    /**
     * 算法方法
     */
    public abstract void AlgorithmInterface();
}

/**
 * 具体算法A
 */
class ConcreteStrategyA extends Strategy {
    //算法A实现方法
    @Override
    public void AlgorithmInterface() {
        System.out.println("算法A的实现");
    }
}

/**
 * 具体算法B
 */
class ConcreteStrategyB extends Strategy {
    /**
     * 算法B实现方法
     */
    @Override
    public void AlgorithmInterface() {
        System.out.println("算法B的实现");
    }
}

/**
 * 具体算法C
 */
class ConcreteStrategyC extends Strategy {
    @Override
    public void AlgorithmInterface() {
        System.out.println("算法C的实现");
    }
}

/**
 * 上下文，维护一个对策略类对象的引用
 */
class Context {
    Strategy strategy;

    public Context(Strategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void contextInterface(){
        strategy.AlgorithmInterface();
    }
}

/**
 * 客户端代码：实现不同的策略
 */
public class StrategyPattern {
    public static void main(String[] args) {

        Context context;

        context = new Context(new ConcreteStrategyA());
        context.contextInterface();

        context = new Context(new ConcreteStrategyB());
        context.contextInterface();

        context = new Context(new ConcreteStrategyC());
        context.contextInterface();
    }
}

7. 代理模式

代理模式指给一个对象提供一个代理对象，并由代理对象控制对原对象的引用。代理可以分为静态代理和动态代理。
通过代理模式，可以利用代理对象为被代理对象添加额外的功能，以此来拓展被代理对象的功能。可以用于计算某个方法执行时间，在某个方法执行前后记录日志等操作。

1. 静态代理

静态代理需要我们写出代理类和被代理类，而且一个代理类和一个被代理类一一对应。代理类和被代理类需要实现同一个接口，通过聚合使得代理对象中有被代理对象的引用，以此实现代理对象控制被代理对象的目的。

/**
 * 代理类和被代理类共同实现的接口
 */
interface IService {

    void service();
}


/**
 * 被代理类
 */
class Service implements IService{

    @Override
    public void service() {
        System.out.println("被代理对象执行相关操作");
    }
}

/**
 * 代理类
 */
class ProxyService implements IService{
    /**
     * 持有被代理对象的引用
     */
    private IService service;

    /**
     * 默认代理Service类
     */
    public ProxyService() {
        this.service = new Service();
    }

    /**
     * 也可以代理实现相同接口的其他类
     * @param service
     */
    public ProxyService(IService service) {
        this.service = service;
    }

    @Override
    public void service() {
        System.out.println("开始执行service()方法");
        service.service();
        System.out.println("service()方法执行完毕");
    }
}


//测试类
public class ProxyPattern {

    public static void main(String[] args) {
        IService service = new Service();
        //传入被代理类的对象
        ProxyService proxyService = new ProxyService(service);
        proxyService.service();
    }
}

2. 动态代理

JDK 1.3 之后，Java通过java.lang.reflect包中的三个类Proxy、InvocationHandler、Method来支持动态代理。动态代理常用于有若干个被代理的对象，且为每个被代理对象添加的功能是相同的（例如在每个方法运行前后记录日志）。

动态代理的代理类不需要我们编写，由Java自动产生代理类源代码并进行编译最后生成代理对象。
创建动态代理对象的步骤：
1. 指明一系列的接口来创建一个代理对象
2. 创建一个调用处理器（InvocationHandler）对象
3. 将这个代理指定为某个其他对象的代理对象
4. 在调用处理器的invoke（）方法中采取代理，一方面将调用传递给真实对象，另一方面执行各种需要的操作

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Proxy;

/**
 * 代理类和被代理类共同实现的接口
 */
interface IService {
    void service();
}

class Service implements IService{

    @Override
    public void service() {
        System.out.println("被代理对象执行相关操作");
    }
}

class ServiceInvocationHandler implements InvocationHandler {

    /**
     * 被代理的对象
     */
    private Object srcObject;

    public ServiceInvocationHandler(Object srcObject) {
        this.srcObject = srcObject;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxyObj, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("开始执行"+method.getName()+"方法");
        //执行原对象的相关操作，容易忘记
        Object returnObj = method.invoke(srcObject,args);
        System.out.println(method.getName()+"方法执行完毕");
        return returnObj;
    }
}

public class ProxyPattern {
    public static void main(String[] args) {
        IService service = new Service();
        Class<? extends IService> clazz = service.getClass();

        IService proxyService = (IService) Proxy.newProxyInstance(clazz.getClassLoader(),
                                        clazz.getInterfaces(), new ServiceInvocationHandler(service));
        proxyService.service();
    }
}