学习6大设计原则、23种设计模式

柔情只为你懂 2023-10-17 18:44 78阅读 0赞

了解设计模式的朋友们，想必都听说过“六大设计原则”吧。其实最经典的 23 种设计模式中或多或少地都在使用这些设计原则，也就是说，设计模式是站在设计原则的基础之上的。所以在学习设计模式之前，很有必要对这些设计原则先做一下了解。

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1、单一职责原则

There should never be more than one reason for a class to change.

理解：不同的类具备不同的职责，各司其职。做系统设计是，如果发现有一个类拥有了两种职责，那么就要问一个问题：可以将这个类分成两个类吗？如果真的有必要，那就分开，千万不要让一个类干的事情太多。

总结：一个类只承担一个职责

2、开放封闭原则

Software entities like classes,modules and functions should be open for extension but closed for modifications.

理解：类、模块、函数，可以去扩展，但不要去修改。如果要修改代码，尽量用继承或组合的方式来扩展类的功能，而不是直接修改类的代码。当然，如果能保证对整个架构不会产生任何影响，那就没必要搞的那么复杂，直接改这个类吧。

总结：对软件实体的改动，最好用扩展而非修改的方式。

3、里式替换原则

Functions that use pointers or references to base classes must be able to use objects of derived classes without knowing it.

理解：父类可被子类替换，但反之不一定成立。也就是说，代码中可以将父类全部替换为子类，程序不会出现异常，但反过来就不一定了。

总结：在继承类是，务必重写（override）父类中所有的方法，尤其需要注意父类的protected方法（它们往往是让你重写的），子类尽量不要暴露自己的public方法供外界调用。

4、最少知识原则

Only talk to you immediate friends.

理解：尽量减少对象之间的交互，从而减小类之间的耦合。在做系统设计时，不要让一个类依赖于太多其他的类，需尽量减小依赖关系，否则死都不知道怎么死的。

总结：一定要做到：低耦合、高内聚。

5、接口隔离原则

The dependency of one class to another one should depend on the smallest possible interface.

理解：不要对外暴露没有实际意义的接口。也就是说，尽量保证接口的实用性。当需要对外暴露接口时，需要再三斟酌，若没必要对外提供就删了吧，因为一旦提供了就意味着，将来要多做一件事情，何苦给自己找事做呢。

总结：不要对外暴露没有实际意义的接口。

6、依赖倒置原则

High level modules should not depends upon low level modules.Both should depend upon abstractions.Abstractions should not depend upon details.Details should depend upon abstractions.

理解：高层模块不应该依赖于底层模块，而应该依赖于抽象。抽象不应依赖于细节，细节应依赖于抽象。应该面向接口编程，不该面向实现类编程。面向实现类编程相当于就事论事，那是正向依赖；面向接口编程，相当于透过现象看本质，抓住事务的共性，那就是反向依赖，即依赖倒置。

总结：面向接口编程，提取出事务的本质和共性。

将六大原则的英文首字母拼在一起就是SOLID（稳定的），所以也称之为SOLID原则。

只有满足了这六大原则，才能设计出稳定的软件架构，但它们只是原则，有时还是需要学会灵活应变，千万不要生搬硬套，否则只会把简单问题复杂化，切记！

23中设计模式转自：http://zz563143188.iteye.com/blog/1847029

最经典的 23 种设计模式中或多或少地都在使用这些设计原则，也就是说，设计模式是站在设计原则的基础之上的。下面来详细介绍Java中23种设计模式的概念，应用场景等情况，并结合他们的特点及设计模式的原则进行分析。

总体来说23种设计模式分为三大类：

创建型模式（5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（7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（11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、工厂方法模式**

1.1**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。

举例如下：（我们举一个发送邮件和短信的例子）

首先，创建二者的共同接口：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****interface** Sender \{ 
2.  **public****void** Send(); 
3.  \}

其次，创建实现类：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** MailSender **implements** Sender \{ 
2.  @Override
3.  **public****void** Send() \{ 
4.   System.out.println("this is mailsender!"); 
5.   \} 
6.  \}

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** SmsSender **implements** Sender \{ 
2.  
3.  @Override
4.  **public****void** Send() \{ 
5.   System.out.println("this is sms sender!"); 
6.   \} 
7.  \}

最后，建工厂类：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** SendFactory \{ 
2.  
3.  **public** Sender produce(String type) \{ 
4.  **if** ("mail".equals(type)) \{ 
5.  **return****new** MailSender(); 
6.   \} **else****if** ("sms".equals(type)) \{ 
7.  **return****new** SmsSender(); 
8.   \} **else** \{ 
9.   System.out.println("请输入正确的类型!"); 
10. **return****null**; 
11.  \} 
12.  \} 
13. \}

我们来测试下：

1.  **public****class** FactoryTest \{ 
2.  
3.  **public****static****void** main(String\[\] args) \{ 
4.   SendFactory factory = **new** SendFactory(); 
5.   Sender sender = factory.produce("sms"); 
6.   sender.Send(); 
7.   \} 
8.  \}

输出：this is sms sender!

1.2**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。

将上面的代码做下修改，改动下SendFactory类就行，如下：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain] **public**  **class**  SendFactory \{

**public**  Sender produceMail()\{

1.  **return****new** MailSender(); 
2.   \} 
3.  
4.  **public** Sender produceSms()\{ 
5.  **return****new** SmsSender(); 
6.   \} 
7.  \}

测试类如下：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

输出：this is mailsender!

1.3 **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。

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** SendFactory \{ 
2.  
3.  **public****static** Sender produceMail()\{ 
4.  **return****new** MailSender(); 
5.   \} 
6.  
7.  **public****static** Sender produceSms()\{ 
8.  **return****new** SmsSender(); 
9.   \} 
10. \}

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** FactoryTest \{ 
2.  
3.  **public****static****void** main(String\[\] args) \{ 
4.   Sender sender = SendFactory.produceMail(); 
5.   sender.Send(); 
6.   \} 
7.  \}

输出：this is mailsender!

总体来说，工厂模式适合：凡是出现了大量的产品需要创建，并且具有共同的接口时，可以通过工厂方法模式进行创建。在以上的三种模式中，第一种如果传入的字符串有误，不能正确创建对象，第三种相对于第二种，不需要实例化工厂类，所以，大多数情况下，我们会选用第三种——静态工厂方法模式。

1.4**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，如果想要拓展程序，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？就用到抽象工厂模式，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。

请看例子：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****interface** Sender \{ 
2.  **public****void** Send(); 
3.  \}

两个实现类：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** MailSender **implements** Sender \{ 
2.  @Override
3.  **public****void** Send() \{ 
4.   System.out.println("this is mailsender!"); 
5.   \} 
6.  \}

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** SmsSender **implements** Sender \{ 
2.  
3.  @Override
4.  **public****void** Send() \{ 
5.   System.out.println("this is sms sender!"); 
6.   \} 
7.  \}

两个工厂类：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** SendMailFactory **implements** Provider \{ 
2.  
3.  @Override
4.  **public** Sender produce()\{ 
5.  **return****new** MailSender(); 
6.   \} 
7.  \}

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** SendSmsFactory **implements** Provider\{ 
2.  
3.  @Override
4.  **public** Sender produce() \{ 
5.  **return****new** SmsSender(); 
6.   \} 
7.  \}

在提供一个接口：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****interface** Provider \{ 
2.  **public** Sender produce(); 
3.  \}

测试类：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** Test \{ 
2.  
3.  **public****static****void** main(String\[\] args) \{ 
4.   Provider provider = **new** SendMailFactory(); 
5.   Sender sender = provider.produce(); 
6.   sender.Send(); 
7.   \} 
8.  \}

其实这个模式的好处就是，如果你现在想增加一个功能：发及时信息，则只需做一个实现类，实现Sender接口，同时做一个工厂类，实现Provider接口，就OK了，无需去改动现成的代码。这样做，拓展性较好！

2、单例模式

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。

2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。

3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

首先我们写一个简单的单例类：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** Singleton \{ 
2.  
3.  /\* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 \*/
4.  **private****static** Singleton instance = **null**; 
5.  
6.  /\* 私有构造方法，防止被实例化 \*/
7.  **private** Singleton() \{ 
8.   \} 
9.  
10. /\* 静态工程方法，创建实例 \*/
11. **public****static** Singleton getInstance() \{ 
12. **if** (instance == **null**) \{ 
13.  instance = **new** Singleton(); 
14.  \} 
15. **return** instance; 
16.  \} 
17. 
18. /\* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 \*/
19. **public** Object readResolve() \{ 
20. **return** instance; 
21.  \} 
22. \}

这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了，如何解决？我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字，如下：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****static****synchronized** Singleton getInstance() \{ 
2.  **if** (instance == **null**) \{ 
3.   instance = **new** Singleton(); 
4.   \} 
5.  **return** instance; 
6.   \}

但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****static** Singleton getInstance() \{ 
2.  **if** (instance == **null**) \{ 
3.  **synchronized** (instance) \{ 
4.  **if** (instance == **null**) \{ 
5.   instance = **new** Singleton(); 
6.   \} 
7.   \} 
8.   \} 
9.  **return** instance; 
10.  \}

似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：

a>A、B线程同时进入了第一个if判断

b>A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();

c>由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

d>B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

e>此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们对该程序做进一步优化：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **private****static****class** SingletonFactory\{ 
2.  **private****static** Singleton instance = **new** Singleton(); 
3.   \} 
4.  **public****static** Singleton getInstance()\{ 
5.  **return** SingletonFactory.instance; 
6.   \}

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** Singleton \{ 
2.  
3.  /\* 私有构造方法，防止被实例化 \*/
4.  **private** Singleton() \{ 
5.   \} 
6.  
7.  /\* 此处使用一个内部类来维护单例 \*/
8.  **private****static****class** SingletonFactory \{ 
9.  **private****static** Singleton instance = **new** Singleton(); 
10.  \} 
11. 
12. /\* 获取实例 \*/
13. **public****static** Singleton getInstance() \{ 
14. **return** SingletonFactory.instance; 
15.  \} 
16. 
17. /\* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 \*/
18. **public** Object readResolve() \{ 
19. **return** getInstance(); 
20.  \} 
21. \}

其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** SingletonTest \{ 
2.  
3.  **private****static** SingletonTest instance = **null**; 
4.  
5.  **private** SingletonTest() \{ 
6.   \} 
7.  
8.  **private****static****synchronized****void** syncInit() \{ 
9.  **if** (instance == **null**) \{ 
10.  instance = **new** SingletonTest(); 
11.  \} 
12.  \} 
13. 
14. **public****static** SingletonTest getInstance() \{ 
15. **if** (instance == **null**) \{ 
16.  syncInit(); 
17.  \} 
18. **return** instance; 
19.  \} 
20. \}

考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。

**补充：采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新**

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** SingletonTest \{ 
2.  
3.  **private****static** SingletonTest instance = **null**; 
4.  **private** Vector properties = **null**; 
5.  
6.  **public** Vector getProperties() \{ 
7.  **return** properties; 
8.   \} 
9.  
10. **private** SingletonTest() \{ 
11.  \} 
12. 
13. **private****static****synchronized****void** syncInit() \{ 
14. **if** (instance == **null**) \{ 
15.  instance = **new** SingletonTest(); 
16.  \} 
17.  \} 
18. 
19. **public****static** SingletonTest getInstance() \{ 
20. **if** (instance == **null**) \{ 
21.  syncInit(); 
22.  \} 
23. **return** instance; 
24.  \} 
25. 
26. **public****void** updateProperties() \{ 
27.  SingletonTest shadow = **new** SingletonTest(); 
28.  properties = shadow.getProperties(); 
29.  \} 
30. \}

通过单例模式的学习告诉我们：

1、单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。

2、synchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁）。

到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？

首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）

其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。

再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static，无法被覆写。

最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的Java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像HashMap采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的优点，才能最好的解决问题！

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进行管理，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，其实建造者模式就是前面抽象工厂模式和最后的Test结合起来得到的。我们看一下代码：

还和前面一样，一个Sender接口，两个实现类MailSender和SmsSender。最后，建造者类如下：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** Builder \{ 
2.  
3.  **private** List<Sender> list = **new** ArrayList<Sender>(); 
4.  
5.  **public****void** produceMailSender(**int** count)\{ 
6.  **for**(**int** i=0; i<count; i++)\{ 
7.   list.add(**new** MailSender()); 
8.   \} 
9.   \} 
10. 
11. **public****void** produceSmsSender(**int** count)\{ 
12. **for**(**int** i=0; i<count; i++)\{ 
13.  list.add(**new** SmsSender()); 
14.  \} 
15.  \} 
16. \}

测试类：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** Test \{ 
2.  
3.  **public****static****void** main(String\[\] args) \{ 
4.   Builder builder = **new** Builder(); 
5.   builder.produceMailSender(10); 
6.   \} 
7.  \}

从这点看出，建造者模式将很多功能集成到一个类里，这个类可以创造出比较复杂的东西。所以与工厂模式的区别就是：工厂模式关注的是创建单个产品，而建造者模式则关注创建符合对象，多个部分。因此，是选择工厂模式还是建造者模式，依实际情况而定。

**4、原型模式**

原型模式虽然是创建型的模式，但是与工程模式没有关系，从名字即可看出，该模式的思想就是将一个对象作为原型，对其进行复制、克隆，产生一个和原对象类似的新对象。本小结会通过对象的复制，进行讲解。在Java中，复制对象是通过clone()实现的，先创建一个原型类：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** Prototype **implements** Cloneable \{ 
2.  
3.  **public** Object clone() **throws** CloneNotSupportedException \{ 
4.   Prototype proto = (Prototype) **super**.clone(); 
5.  **return** proto; 
6.   \} 
7.  \}

很简单，一个原型类，只需要实现Cloneable接口，覆写clone方法，此处clone方法可以改成任意的名称，因为Cloneable接口是个空接口，你可以任意定义实现类的方法名，如cloneA或者cloneB，因为此处的重点是super.clone()这句话，super.clone()调用的是Object的clone()方法，而在Object类中，clone()是native的，具体怎么实现，我会在另一篇文章中，关于解读Java中本地方法的调用，此处不再深究。在这儿，我将结合对象的浅复制和深复制来说一下，首先需要了解对象深、浅复制的概念：

浅复制：将一个对象复制后，基本数据类型的变量都会重新创建，而引用类型，指向的还是原对象所指向的。

深复制：将一个对象复制后，不论是基本数据类型还有引用类型，都是重新创建的。简单来说，就是深复制进行了完全彻底的复制，而浅复制不彻底。

此处，写一个深浅复制的例子：

**\[java\]** [view plain][] [copy][view plain]

1.  **public****class** Prototype **implements** Cloneable, Serializable \{ 
2.  
3.  **private****static****final****long** serialVersionUID = 1L; 
4.  **private** String string; 
5.  
6.  **private** SerializableObject obj; 
7.  
8.  /\* 浅复制 \*/
9.  **public** Object clone() **throws** CloneNotSupportedException \{ 
10.  Prototype proto = (Prototype) **super**.clone(); 
11. **return** proto; 
12.  \} 
13. 
14. /\* 深复制 \*/
15. **public** Object deepClone() **throws** IOException, ClassNotFoundException \{ 
16. 
17. /\* 写入当前对象的二进制流 \*/
18.  ByteArrayOutputStream bos = **new** ByteArrayOutputStream(); 
19.  ObjectOutputStream oos = **new** ObjectOutputStream(bos); 
20.  oos.writeObject(**this**); 
21. 
22. /\* 读出二进制流产生的新对象 \*/
23.  ByteArrayInputStream bis = **new** ByteArrayInputStream(bos.toByteArray()); 
24.  ObjectInputStream ois = **new** ObjectInputStream(bis); 
25. **return** ois.readObject(); 
26.  \} 
27. 
28. **public** String getString() \{ 
29. **return** string; 
30.  \} 
31. 
32. **public****void** setString(String string) \{ 
33. **this**.string = string; 
34.  \} 
35. 
36. **public** SerializableObject getObj() \{ 
37. **return** obj; 
38.  \} 
39. 
40. **public****void** setObj(SerializableObject obj) \{ 
41. **this**.obj = obj; 
42.  \} 
43. 
44. \} 
45. 
46. **class** SerializableObject **implements** Serializable \{ 
47. **private****static****final****long** serialVersionUID = 1L; 
48. \}

要实现深复制，需要采用流的形式读入当前对象的二进制输入，再写出二进制数据对应的对象。

[Image 1]: 
[view plain]: http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8194653