Java 设计模式
转自https://javadoop.com/post/design-pattern
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一直想写一篇介绍设计模式的文章，让读者可以很快看完，而且一看就懂，看懂就会用，同时不会将各个模式搞混。自认为本文还是写得不错的，花了不少心思来写这文章和做图，力求让读者真的能看着简单同时有所收获。
设计模式是对大家实际工作中写的各种代码进行高层次抽象的总结，其中最出名的当属_Gang of Four_(GoF) 的分类了，他们将设计模式分类为 23 种经典的模式，根据用途我们又可以分为三大类，分别为创建型模式、结构型模式和行为型模式。是的，我不善于扯这些有的没的，还是少点废话吧~~~
有一些重要的设计原则在开篇和大家分享下，这些原则将贯通全文：
- 面向接口编程，而不是面向实现。这个很重要，也是优雅的、可扩展的代码的第一步，这就不需要多说了吧。
- 职责单一原则。每个类都应该只有一个单一的功能，并且该功能应该由这个类完全封装起来。
- 对修改关闭，对扩展开放。对修改关闭是说，我们辛辛苦苦加班写出来的代码，该实现的功能和该修复的 bug 都完成了，别人可不能说改就改；对扩展开放就比较好理解了，也就是说在我们写好的代码基础上，很容易实现扩展。
目录
创建型模式的作用就是创建对象，说到创建一个对象，最熟悉的就是 new 一个对象，然后 set 相关属性。但是，在很多场景下，我们需要给客户端提供更加友好的创建对象的方式，尤其是那种我们定义了类，但是需要提供给其他开发者用的时候。
和名字一样简单，非常简单，直接上代码吧：
public class FoodFactory {
public static Food makeFood(String name) {
if (name.equals("noodle")) {
Food noodle = new LanZhouNoodle();
noodle.addSpicy("more");
return noodle;
} else if (name.equals("chicken")) {
Food chicken = new HuangMenChicken();
chicken.addCondiment("potato");
return chicken;
} else {
return null;
}
}
}
其中，LanZhouNoodle 和 HuangMenChicken 都继承自 Food。
简单地说，简单工厂模式通常就是这样，一个工厂类 XxxFactory，里面有一个静态方法，根据我们不同的参数，返回不同的派生自同一个父类（或实现同一接口）的实例对象。
我们强调职责单一原则，一个类只提供一种功能，FoodFactory 的功能就是只要负责生产各种 Food。
简单工厂模式很简单，如果它能满足我们的需要，我觉得就不要折腾了。之所以需要引入工厂模式，是因为我们往往需要使用两个或两个以上的工厂。
public interface FoodFactory {
Food makeFood(String name);
}
public class ChineseFoodFactory implements FoodFactory {
@Override
public Food makeFood(String name) {
if (name.equals("A")) {
return new ChineseFoodA();
} else if (name.equals("B")) {
return new ChineseFoodB();
} else {
return null;
}
}
}
public class AmericanFoodFactory implements FoodFactory {
@Override
public Food makeFood(String name) {
if (name.equals("A")) {
return new AmericanFoodA();
} else if (name.equals("B")) {
return new AmericanFoodB();
} else {
return null;
}
}
}
其中，ChineseFoodA、ChineseFoodB、AmericanFoodA、AmericanFoodB 都派生自 Food。
客户端调用：
public class APP {
public static void main(String[] args) {
// 先选择一个具体的工厂
FoodFactory factory = new ChineseFoodFactory();
// 由第一步的工厂产生具体的对象，不同的工厂造出不一样的对象
Food food = factory.makeFood("A");
}
}
虽然都是调用 makeFood("A") 制作 A 类食物，但是，不同的工厂生产出来的完全不一样。
第一步，我们需要选取合适的工厂，然后第二步基本上和简单工厂一样。
核心在于，我们需要在第一步选好我们需要的工厂。比如，我们有 LogFactory 接口，实现类有 FileLogFactory 和 KafkaLogFactory，分别对应将日志写入文件和写入 Kafka 中，显然，我们客户端第一步就需要决定到底要实例化 FileLogFactory 还是 KafkaLogFactory，这将决定之后的所有的操作。
虽然简单，不过我也把所有的构件都画到一张图上，这样读者看着比较清晰：
当涉及到产品族的时候，就需要引入抽象工厂模式了。
一个经典的例子是造一台电脑。我们先不引入抽象工厂模式，看看怎么实现。
因为电脑是由许多的构件组成的，我们将 CPU 和主板进行抽象，然后 CPU 由 CPUFactory 生产，主板由 MainBoardFactory 生产，然后，我们再将 CPU 和主板搭配起来组合在一起，如下图：
这个时候的客户端调用是这样的：
// 得到 Intel 的 CPU
CPUFactory cpuFactory = new IntelCPUFactory();
CPU cpu = intelCPUFactory.makeCPU();
// 得到 AMD 的主板
MainBoardFactory mainBoardFactory = new AmdMainBoardFactory();
MainBoard mainBoard = mainBoardFactory.make();
// 组装 CPU 和主板
Computer computer = new Computer(cpu, mainBoard);
单独看 CPU 工厂和主板工厂，它们分别是前面我们说的工厂模式。这种方式也容易扩展，因为要给电脑加硬盘的话，只需要加一个 HardDiskFactory 和相应的实现即可，不需要修改现有的工厂。
但是，这种方式有一个问题，那就是如果Intel 家产的 CPU 和 AMD 产的主板不能兼容使用，那么这代码就容易出错，因为客户端并不知道它们不兼容，也就会错误地出现随意组合。
下面就是我们要说的产品族的概念，它代表了组成某个产品的一系列附件的集合：
当涉及到这种产品族的问题的时候，就需要抽象工厂模式来支持了。我们不再定义 CPU 工厂、主板工厂、硬盘工厂、显示屏工厂等等，我们直接定义电脑工厂，每个电脑工厂负责生产所有的设备，这样能保证肯定不存在兼容问题。
这个时候，对于客户端来说，不再需要单独挑选 CPU厂商、主板厂商、硬盘厂商等，直接选择一家品牌工厂，品牌工厂会负责生产所有的东西，而且能保证肯定是兼容可用的。
public static void main(String[] args) {
// 第一步就要选定一个“大厂”
ComputerFactory cf = new AmdFactory();
// 从这个大厂造 CPU
CPU cpu = cf.makeCPU();
// 从这个大厂造主板
MainBoard board = cf.makeMainBoard();
// 从这个大厂造硬盘
HardDisk hardDisk = cf.makeHardDisk();
// 将同一个厂子出来的 CPU、主板、硬盘组装在一起
Computer result = new Computer(cpu, board, hardDisk);
}
当然，抽象工厂的问题也是显而易见的，比如我们要加个显示器，就需要修改所有的工厂，给所有的工厂都加上制造显示器的方法。这有点违反了对修改关闭，对扩展开放这个设计原则。
单例模式用得最多，错得最多。
饿汉模式最简单：
public class Singleton {
// 首先，将 new Singleton() 堵死
private Singleton() {};
// 创建私有静态实例，意味着这个类第一次使用的时候就会进行创建
private static Singleton instance = new Singleton();
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
// 瞎写一个静态方法。这里想说的是，如果我们只是要调用 Singleton.getDate(...)，
// 本来是不想要生成 Singleton 实例的，不过没办法，已经生成了
public static Date getDate(String mode) {return new Date();}
}
很多人都能说出饿汉模式的缺点，可是我觉得生产过程中，很少碰到这种情况：你定义了一个单例的类，不需要其实例，可是你却把一个或几个你会用到的静态方法塞到这个类中。
饱汉模式最容易出错：
public class Singleton {
// 首先，也是先堵死 new Singleton() 这条路
private Singleton() {}
// 和饿汉模式相比，这边不需要先实例化出来，注意这里的 volatile，它是必须的
private static volatile Singleton instance = null;
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
// 加锁
synchronized (Singleton.class) {
// 这一次判断也是必须的，不然会有并发问题
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
双重检查，指的是两次检查 instance 是否为 null。
volatile 在这里是需要的，希望能引起读者的关注。
很多人不知道怎么写，直接就在 getInstance() 方法签名上加上 synchronized，这就不多说了，性能太差。
嵌套类最经典，以后大家就用它吧：
public class Singleton3 {
private Singleton3() {}
// 主要是使用了 嵌套类可以访问外部类的静态属性和静态方法 的特性
private static class Holder {
private static Singleton3 instance = new Singleton3();
}
public static Singleton3 getInstance() {
return Holder.instance;
}
}
注意，很多人都会把这个嵌套类说成是静态内部类，严格地说，内部类和嵌套类是不一样的，它们能访问的外部类权限也是不一样的。
最后，一定有人跳出来说用枚举实现单例，是的没错，枚举类很特殊，它在类加载的时候会初始化里面的所有的实例，而且 JVM 保证了它们不会再被实例化，所以它天生就是单例的。不说了，读者自己看着办吧，不建议使用。
经常碰见的 XxxBuilder 的类，通常都是建造者模式的产物。建造者模式其实有很多的变种，但是对于客户端来说，我们的使用通常都是一个模式的：
Food food = new FoodBuilder().a().b().c().build();
Food food = Food.builder().a().b().c().build();
套路就是先 new 一个 Builder，然后可以链式地调用一堆方法，最后再调用一次 build() 方法，我们需要的对象就有了。
来一个中规中矩的建造者模式：
class User {
// 下面是“一堆”的属性
private String name;
private String password;
private String nickName;
private int age;
// 构造方法私有化，不然客户端就会直接调用构造方法了
private User(String name, String password, String nickName, int age) {
this.name = name;
this.password = password;
this.nickName = nickName;
this.age = age;
}
// 静态方法，用于生成一个 Builder，这个不一定要有，不过写这个方法是一个很好的习惯，
// 有些代码要求别人写 new User.UserBuilder().a()...build() 看上去就没那么好
public static UserBuilder builder() {
return new UserBuilder();
}
public static class UserBuilder {
// 下面是和 User 一模一样的一堆属性
private String name;
private String password;
private String nickName;
private int age;
private UserBuilder() {
}
// 链式调用设置各个属性值，返回 this，即 UserBuilder
public UserBuilder name(String name) {
this.name = name;
return this;
}
public UserBuilder password(String password) {
this.password = password;
return this;
}
public UserBuilder nickName(String nickName) {
this.nickName = nickName;
return this;
}
public UserBuilder age(int age) {
this.age = age;
return this;
}
// build() 方法负责将 UserBuilder 中设置好的属性“复制”到 User 中。
// 当然，可以在 “复制” 之前做点检验
public User build() {
if (name == null || password == null) {
throw new RuntimeException("用户名和密码必填");
}
if (age <= 0 || age >= 150) {
throw new RuntimeException("年龄不合法");
}
// 还可以做赋予”默认值“的功能
if (nickName == null) {
nickName = name;
}
return new User(name, password, nickName, age);
}
}
}
核心是：先把所有的属性都设置给 Builder，然后 build() 方法的时候，将这些属性复制给实际产生的对象。
看看客户端的调用：
public class APP {
public static void main(String[] args) {
User d = User.builder()
.name("foo")
.password("pAss12345")
.age(25)
.build();
}
}
说实话，建造者模式的链式写法很吸引人，但是，多写了很多“无用”的 builder 的代码，感觉这个模式没什么用。不过，当属性很多，而且有些必填，有些选填的时候，这个模式会使代码清晰很多。我们可以在Builder 的构造方法中强制让调用者提供必填字段，还有，在 build() 方法中校验各个参数比在 User 的构造方法中校验，代码要优雅一些。
题外话，强烈建议读者使用 lombok，用了 lombok 以后，上面的一大堆代码会变成如下这样:
@Builder
class User {
private String name;
private String password;
private String nickName;
private int age;
}
怎么样，省下来的时间是不是又可以干点别的了。
当然，如果你只是想要链式写法，不想要建造者模式，有个很简单的办法，User 的 getter 方法不变，所有的 setter 方法都让其return this就可以了，然后就可以像下面这样调用：
User user = new User().setName("").setPassword("").setAge(20);
这是我要说的创建型模式的最后一个设计模式了。
原型模式很简单：有一个原型实例，基于这个原型实例产生新的实例，也就是“克隆”了。
Object 类中有一个 clone() 方法，它用于生成一个新的对象，当然，如果我们要调用这个方法，java 要求我们的类必须先实现 Cloneable 接口，此接口没有定义任何方法，但是不这么做的话，在 clone() 的时候，会抛出 CloneNotSupportedException 异常。
protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
java 的克隆是浅克隆，碰到对象引用的时候，克隆出来的对象和原对象中的引用将指向同一个对象。通常实现深克隆的方法是将对象进行序列化，然后再进行反序列化。
原型模式了解到这里我觉得就够了，各种变着法子说这种代码或那种代码是原型模式，没什么意义。
创建型模式总体上比较简单，它们的作用就是为了产生实例对象，算是各种工作的第一步了，因为我们写的是面向对象的代码，所以我们第一步当然是需要创建一个对象了。
简单工厂模式最简单；工厂模式在简单工厂模式的基础上增加了选择工厂的维度，需要第一步选择合适的工厂；抽象工厂模式有产品族的概念，如果各个产品是存在兼容性问题的，就要用抽象工厂模式。单例模式就不说了，为了保证全局使用的是同一对象，一方面是安全性考虑，一方面是为了节省资源；建造者模式专门对付属性很多的那种类，为了让代码更优美；原型模式用得最少，了解和 Object 类中的 clone() 方法相关的知识即可。