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Java设计模式

发表于 更新于 分类于

设计原则

S.O.L.I.D

简写 全拼 中文翻译
SRP The Single Responsibility Principle 单一责任原则
OCP The Open Closed Principle 开放封闭原则
LSP The Liskov Substitution Principle 里氏替换原则
ISP The Interface Segregation Principle 接口分离原则
DIP The Dependency Inversion Principle 依赖倒置原则

1. 单一责任原则

修改一个类的原因应该只有一个。

换句话说就是让一个类只负责一件事，当这个类需要做过多事情的时候，就需要分解这个类。

如果一个类承担的职责过多，就等于把这些职责耦合在了一起，一个职责的变化可能会削弱这个类完成其它职责的能力。

2. 开放封闭原则

类应该对扩展开放，对修改关闭。

扩展就是添加新功能的意思，因此该原则要求在添加新功能时不需要修改代码。

符合开闭原则最典型的设计模式是装饰者模式，它可以动态地将责任附加到对象上，而不用去修改类的代码。

3. 里氏替换原则

子类对象必须能够替换掉所有父类对象。

继承是一种 IS-A 关系，子类需要能够当成父类来使用，并且需要比父类更特殊。

如果不满足这个原则，那么各个子类的行为上就会有很大差异，增加继承体系的复杂度。

4. 接口分离原则

不应该强迫客户依赖于它们不用的方法。

因此使用多个专门的接口比使用单一的总接口要好。

5. 依赖倒置原则

高层模块不应该依赖于低层模块，二者都应该依赖于抽象；
抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。

高层模块包含一个应用程序中重要的策略选择和业务模块，如果高层模块依赖于低层模块，那么低层模块的改动就会直接影响到高层模块，从而迫使高层模块也需要改动。

依赖于抽象意味着：

  • 任何变量都不应该持有一个指向具体类的指针或者引用；
  • 任何类都不应该从具体类派生；
  • 任何方法都不应该覆写它的任何基类中的已经实现的方法。

其他常见原则

除了上述的经典原则，在实际开发中还有下面这些常见的设计原则。

简写 全拼 中文翻译
LOD The Law of Demeter 迪米特法则
CRP The Composite Reuse Principle 合成复用原则
CCP The Common Closure Principle 共同封闭原则
SAP The Stable Abstractions Principle 稳定抽象原则
SDP The Stable Dependencies Principle 稳定依赖原则

1. 迪米特法则

迪米特法则又叫作最少知识原则（Least Knowledge Principle，简写 LKP），就是说一个对象应当对其他对象有尽可能少的了解，不和陌生人说话。

2. 合成复用原则

尽量使用对象组合，而不是通过继承来达到复用的目的。

3. 共同封闭原则

一起修改的类，应该组合在一起（同一个包里）。如果必须修改应用程序里的代码，我们希望所有的修改都发生在一个包里（修改关闭），而不是遍布在很多包里。

4. 稳定抽象原则

最稳定的包应该是最抽象的包，不稳定的包应该是具体的包，即包的抽象程度跟它的稳定性成正比。

5. 稳定依赖原则

包之间的依赖关系都应该是稳定方向依赖的，包要依赖的包要比自己更具有稳定性。

设计模式

创建型

单例模式（Singleton）

Intent

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

Class Diagram

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

img

Implementation

Ⅰ 懒汉式-线程不安全

以下实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致实例化多次 uniqueInstance。

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public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;
    
    private Singleton() {
    }
    
    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

Ⅱ 饿汉式-线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化多次，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。

但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

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class Singleton{
    //1.构造器私有化
    private Singleton(){
    }
    //2.在本类内部创建对象实例
    public final static Singleton instance = new Singleton();
    //3.提供一个共有的静态方法，返回实例
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

Ⅲ 懒汉式-线程安全

只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了实例化多次 uniqueInstance。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，即使 uniqueInstance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长，因此该方法有性能问题，不推荐使用。

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public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;
    
    private Singleton() {
    }
    
    public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

Ⅳ 双重校验锁-线程安全

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

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public class Singleton {
    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化。

因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句：第一个 if 语句用来避免 uniqueInstance 已经被实例化之后的加锁操作，而第二个 if 语句进行了加锁，所以只能有一个线程进入，就不会出现 uniqueInstance == null 时两个线程同时进行实例化操作。

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的，uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

  1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
  2. 初始化 uniqueInstance
  3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

Ⅴ 静态内部类实现

当 Singleton 类被加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例，并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。

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public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

Ⅵ 枚举实现

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public enum Singleton {
    INSTANCE;
    
    private String objName;

    public String getObjName() {
        return objName;
    }

    public void setObjName(String objName) {
        this.objName = objName;
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 单例测试
        Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
        firstSingleton.setObjName("firstName");
        System.out.println(firstSingleton.getObjName());
        Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
        secondSingleton.setObjName("secondName");
        System.out.println(firstSingleton.getObjName());
        System.out.println(secondSingleton.getObjName());
        // 反射获取实例测试
        try {
            Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
            for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
                System.out.println(enumConstant.getObjName());
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
firstName
secondName
secondName
secondName

该实现可以防止反射攻击。在其它实现中，通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。

该实现在多次序列化和序列化之后，不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段，并且实现序列化和反序列化的方法。

简单工厂（Simple Factory）

Intent

在创建一个对象时不向客户暴露内部细节，并提供一个创建对象的通用接口。

Class Diagram

简单工厂把实例化的操作单独放到一个类中，这个类就成为简单工厂类，让简单工厂类来决定应该用哪个具体子类来实例化。

这样做能把客户类和具体子类的实现解耦，客户类不再需要知道有哪些子类以及应当实例化哪个子类。客户类往往有多个，如果不使用简单工厂，那么所有的客户类都要知道所有子类的细节。而且一旦子类发生改变，例如增加子类，那么所有的客户类都要进行修改。

工厂方法（Factory Method）

Intent

定义了一个创建对象的接口，但由子类决定要实例化哪个类。工厂方法把实例化操作推迟到子类。

Class Diagram

在简单工厂中，创建对象的是另一个类，而在工厂方法中，是由子类来创建对象。

抽象工厂（Abstract Factory）

Intent

提供一个接口，用于创建 相关的对象家族 。

Class Diagram

抽象工厂模式创建的是对象家族，也就是很多对象而不是一个对象，并且这些对象是相关的，也就是说必须一起创建出来。而工厂方法模式只是用于创建一个对象，这和抽象工厂模式有很大不同。

抽象工厂模式用到了工厂方法模式来创建单一对象，AbstractFactory 中的 createProductA() 和 createProductB() 方法都是让子类来实现，这两个方法单独来看就是在创建一个对象，这符合工厂方法模式的定义。

至于创建对象的家族这一概念是在 Client 体现，Client 要通过 AbstractFactory 同时调用两个方法来创建出两个对象，在这里这两个对象就有很大的相关性，Client 需要同时创建出这两个对象。

从高层次来看，抽象工厂使用了组合，即 Cilent 组合了 AbstractFactory，而工厂方法模式使用了继承。