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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。
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。
创建型模式比较简单,但是会比较没有意思,结构型和行为型比较有意思。
创建型模式
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。
简单工厂模式
和名字一样简单,非常简单,直接上代码吧:
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| 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; } } }
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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。
工厂模式
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。
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| 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; } } }
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其中,ChineseFoodA、ChineseFoodB、AmericanFoodA、AmericanFoodB 都派生自 Food。
客户端调用:
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| public class APP { public static void main(String[] args) { FoodFactory factory = new ChineseFoodFactory(); Food food = factory.makeFood("A"); } }
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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:
抽象工厂模式
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:
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| CPUFactory cpuFactory = new IntelCPUFactory(); CPU cpu = intelCPUFactory.makeCPU();
MainBoardFactory mainBoardFactory = new AmdMainBoardFactory(); MainBoard mainBoard = mainBoardFactory.make();
Computer computer = new Computer(cpu, mainBoard);
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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。
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| public static void main(String[] args) { ComputerFactory cf = new AmdFactory(); CPU cpu = cf.makeCPU(); MainBoard board = cf.makeMainBoard(); HardDisk hardDisk = cf.makeHardDisk(); Computer result = new Computer(cpu, board, hardDisk); }
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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
单例模式用得最多,错得最多。
饿汉模式最简单:
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| public class Singleton { private Singleton() {}; private static Singleton instance = new Singleton(); public static Singleton getInstance() { return instance; } public static Date getDate(String mode) {return new Date();} }
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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:
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| public class Singleton { private Singleton() {} private static volatile Singleton instance = null;
public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } } } return instance; } }
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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:
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| public class Singleton3 {
private Singleton3() {} private static class Holder { private static Singleton3 instance = new Singleton3(); } public static Singleton3 getInstance() { return Holder.instance; } }
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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,我们说一下枚举,枚举很特殊,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。
虽然我们平时很少看到用枚举来实现单例,但是在 RxJava 的源码中,有很多地方都用了枚举来实现单例。
建造者模式
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:
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| Food food = new FoodBuilder().a().b().c().build(); Food food = Food.builder().a().b().c().build();
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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:
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| class User { private String name; private String password; private String nickName; private int age;
private User(String name, String password, String nickName, int age) { this.name = name; this.password = password; this.nickName = nickName; this.age = age; } public static UserBuilder builder() { return new UserBuilder(); } public static class UserBuilder { private String name; private String password; private String nickName; private int age;
private 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; }
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"); } if (nickName == null) { nickName = name; } return new User(name, password, nickName, age); } } }
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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:
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| public class APP { public static void main(String[] args) { User d = User.builder() .name("foo") .password("pAss12345") .age(25) .build(); } }
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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:
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| @Builder class User { private String name; private String password; private String nickName; private int age; }
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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:
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| User user = new User().setName("").setPassword("").setAge(20);
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很多人是这么用的,但是笔者觉得其实这种写法非常地不优雅,不是很推荐使用。
原型模式
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。
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| protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;
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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。
创建型模式总结
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。
结构型模式
前面创建型模式介绍了创建对象的一些设计模式,这节介绍的结构型模式旨在通过改变代码结构来达到解耦的目的,使得我们的代码容易维护和扩展。
代理模式
第一个要介绍的代理模式是最常使用的模式之一了,用一个代理来隐藏具体实现类的实现细节,通常还用于在真实的实现的前后添加一部分逻辑。
既然说是代理,那就要对客户端隐藏真实实现,由代理来负责客户端的所有请求。当然,代理只是个代理,它不会完成实际的业务逻辑,而是一层皮而已,但是对于客户端来说,它必须表现得就是客户端需要的真实实现。
理解代理这个词,这个模式其实就简单了。
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| public interface FoodService { Food makeChicken(); Food makeNoodle(); }
public class FoodServiceImpl implements FoodService { public Food makeChicken() { Food f = new Chicken() f.setChicken("1kg"); f.setSpicy("1g"); f.setSalt("3g"); return f; } public Food makeNoodle() { Food f = new Noodle(); f.setNoodle("500g"); f.setSalt("5g"); return f; } }
public class FoodServiceProxy implements FoodService { private FoodService foodService = new FoodServiceImpl(); public Food makeChicken() { System.out.println("我们马上要开始制作鸡肉了"); Food food = foodService.makeChicken(); System.out.println("鸡肉制作完成啦,加点胡椒粉"); food.addCondiment("pepper"); return food; } public Food makeNoodle() { System.out.println("准备制作拉面~"); Food food = foodService.makeNoodle(); System.out.println("制作完成啦") return food; } }
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客户端调用,注意,我们要用代理来实例化接口:
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| FoodService foodService = new FoodServiceProxy(); foodService.makeChicken();
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我们发现没有,代理模式说白了就是做 “方法包装” 或做 “方法增强”。在面向切面编程中,其实就是动态代理的过程。比如 Spring 中,我们自己不定义代理类,但是 Spring 会帮我们动态来定义代理,然后把我们定义在 @Before、@After、@Around 中的代码逻辑动态添加到代理中。
说到动态代理,又可以展开说,Spring 中实现动态代理有两种,一种是如果我们的类定义了接口,如 UserService 接口和 UserServiceImpl 实现,那么采用 JDK 的动态代理,感兴趣的读者可以去看看 java.lang.reflect.Proxy 类的源码;另一种是我们自己没有定义接口的,Spring 会采用 CGLIB 进行动态代理,它是一个 jar 包,性能还不错。
适配器模式
说完代理模式,说适配器模式,是因为它们很相似,这里可以做个比较。
适配器模式做的就是,有一个接口需要实现,但是我们现成的对象都不满足,需要加一层适配器来进行适配。
适配器模式总体来说分三种:默认适配器模式、对象适配器模式、类适配器模式。先不急着分清楚这几个,先看看例子再说。
默认适配器模式
首先,我们先看看最简单的适配器模式**默认适配器模式(Default Adapter)**是怎么样的。
我们用 Appache commons-io 包中的 FileAlterationListener 做例子,此接口定义了很多的方法,用于对文件或文件夹进行监控,一旦发生了对应的操作,就会触发相应的方法。
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| public interface FileAlterationListener { void onStart(final FileAlterationObserver observer); void onDirectoryCreate(final File directory); void onDirectoryChange(final File directory); void onDirectoryDelete(final File directory); void onFileCreate(final File file); void onFileChange(final File file); void onFileDelete(final File file); void onStop(final FileAlterationObserver observer); }
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此接口的一大问题是抽象方法太多了,如果我们要用这个接口,意味着我们要实现每一个抽象方法,如果我们只是想要监控文件夹中的文件创建和文件删除事件,可是我们还是不得不实现所有的方法,很明显,这不是我们想要的。
所以,我们需要下面的一个适配器,它用于实现上面的接口,但是所有的方法都是空方法,这样,我们就可以转而定义自己的类来继承下面这个类即可。
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| public class FileAlterationListenerAdaptor implements FileAlterationListener {
public void onStart(final FileAlterationObserver observer) { }
public void onDirectoryCreate(final File directory) { }
public void onDirectoryChange(final File directory) { }
public void onDirectoryDelete(final File directory) { }
public void onFileCreate(final File file) { }
public void onFileChange(final File file) { }
public void onFileDelete(final File file) { }
public void onStop(final FileAlterationObserver observer) { } }
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比如我们可以定义以下类,我们仅仅需要实现我们想实现的方法就可以了:
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| public class FileMonitor extends FileAlterationListenerAdaptor { public void onFileCreate(final File file) { doSomething(); }
public void onFileDelete(final File file) { doSomething(); } }
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当然,上面说的只是适配器模式的其中一种,也是最简单的一种,无需多言。下面,再介绍“正统的”适配器模式。
对象适配器模式
来看一个《Head First 设计模式》中的一个例子,我稍微修改了一下,看看怎么将鸡适配成鸭,这样鸡也能当鸭来用。因为,现在鸭这个接口,我们没有合适的实现类可以用,所以需要适配器。
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| public interface Duck { public void quack(); public void fly(); }
public interface Cock { public void gobble(); public void fly(); }
public class WildCock implements Cock { public void gobble() { System.out.println("咕咕叫"); } public void fly() { System.out.println("鸡也会飞哦"); } }
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鸭接口有 fly() 和 quare() 两个方法,鸡 Cock 如果要冒充鸭,fly() 方法是现成的,但是鸡不会鸭的呱呱叫,没有 quack() 方法。这个时候就需要适配了:
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| public class CockAdapter implements Duck { Cock cock; public CockAdapter(Cock cock) { this.cock = cock; } @Override public void quack() { cock.gobble(); } @Override public void fly() { cock.fly(); } }
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客户端调用很简单了:
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| public static void main(String[] args) { Cock wildCock = new WildCock(); Duck duck = new CockAdapter(wildCock); ... }
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到这里,大家也就知道了适配器模式是怎么回事了。无非是我们需要一只鸭,但是我们只有一只鸡,这个时候就需要定义一个适配器,由这个适配器来充当鸭,但是适配器里面的方法还是由鸡来实现的。
我们用一个图来简单说明下:
上图应该还是很容易理解的,我就不做更多的解释了。下面,我们看看类适配模式怎么样的。
类适配器模式
废话少说,直接上图:
看到这个图,大家应该很容易理解的吧,通过继承的方法,适配器自动获得了所需要的大部分方法。这个时候,客户端使用更加简单,直接 Target t = new SomeAdapter();
就可以了。
适配器模式总结
类适配和对象适配的异同
一个采用继承,一个采用组合;
类适配属于静态实现,对象适配属于组合的动态实现,对象适配需要多实例化一个对象。
总体来说,对象适配用得比较多。
适配器模式和代理模式的异同
比较这两种模式,其实是比较对象适配器模式和代理模式,在代码结构上,它们很相似,都需要一个具体的实现类的实例。但是它们的目的不一样,代理模式做的是增强原方法的活;适配器做的是适配的活,为的是提供“把鸡包装成鸭,然后当做鸭来使用”,而鸡和鸭它们之间原本没有继承关系。
桥梁模式
理解桥梁模式,其实就是理解代码抽象和解耦。
我们首先需要一个桥梁,它是一个接口,定义提供的接口方法。
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| public interface DrawAPI { public void draw(int radius, int x, int y); }
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然后是一系列实现类:
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| public class RedPen implements DrawAPI { @Override public void draw(int radius, int x, int y) { System.out.println("用红色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y); } } public class GreenPen implements DrawAPI { @Override public void draw(int radius, int x, int y) { System.out.println("用绿色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y); } } public class BluePen implements DrawAPI { @Override public void draw(int radius, int x, int y) { System.out.println("用蓝色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y); } }
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定义一个抽象类,此类的实现类都需要使用 DrawAPI:
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| public abstract class Shape { protected DrawAPI drawAPI; protected Shape(DrawAPI drawAPI) { this.drawAPI = drawAPI; } public abstract void draw(); }
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定义抽象类的子类:
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| public class Circle extends Shape { private int radius; public Circle(int radius, DrawAPI drawAPI) { super(drawAPI); this.radius = radius; } public void draw() { drawAPI.draw(radius, 0, 0); } }
public class Rectangle extends Shape { private int x; private int y; public Rectangle(int x, int y, DrawAPI drawAPI) { super(drawAPI); this.x = x; this.y = y; } public void draw() { drawAPI.draw(0, x, y); } }
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最后,我们来看客户端演示:
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| public static void main(String[] args) { Shape greenCircle = new Circle(10, new GreenPen()); Shape redRectangle = new Rectangle(4, 8, new RedPen()); greenCircle.draw(); redRectangle.draw(); }
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可能大家看上面一步步还不是特别清晰,我把所有的东西整合到一张图上:
这回大家应该就知道抽象在哪里,怎么解耦了吧。桥梁模式的优点也是显而易见的,就是非常容易进行扩展。
本节引用了这里的例子,并对其进行了修改。
装饰模式
要把装饰模式说清楚明白,不是件容易的事情。也许读者知道 Java IO 中的几个类是典型的装饰模式的应用,但是读者不一定清楚其中的关系,也许看完就忘了,希望看完这节后,读者可以对其有更深的感悟。
首先,我们先看一个简单的图,看这个图的时候,了解下层次结构就可以了:
我们来说说装饰模式的出发点,从图中可以看到,接口 Component
其实已经有了 ConcreteComponentA
和 ConcreteComponentB
两个实现类了,但是,如果我们要增强这两个实现类的话,我们就可以采用装饰模式,用具体的装饰器来装饰实现类,以达到增强的目的。
从名字来简单解释下装饰器。既然说是装饰,那么往往就是添加小功能这种,而且,我们要满足可以添加多个小功能。最简单的,代理模式就可以实现功能的增强,但是代理不容易实现多个功能的增强,当然你可以说用代理包装代理的多层包装方式,但是那样的话代码就复杂了。
首先明白一些简单的概念,从图中我们看到,所有的具体装饰者们 ConcreteDecorator* 都可以作为 Component 来使用,因为它们都实现了 Component 中的所有接口。它们和 Component 实现类 ConcreteComponent* 的区别是,它们只是装饰者,起装饰作用,也就是即使它们看上去牛逼轰轰,但是它们都只是在具体的实现中加了层皮来装饰而已。
注意这段话中混杂在各个名词中的 Component 和 Decorator,别搞混了。
下面来看看一个例子,先把装饰模式弄清楚,然后再介绍下 java io 中的装饰模式的应用。
最近大街上流行起来了“快乐柠檬”,我们把快乐柠檬的饮料分为三类:红茶、绿茶、咖啡,在这三大类的基础上,又增加了许多的口味,什么金桔柠檬红茶、金桔柠檬珍珠绿茶、芒果红茶、芒果绿茶、芒果珍珠红茶、烤珍珠红茶、烤珍珠芒果绿茶、椰香胚芽咖啡、焦糖可可咖啡等等,每家店都有很长的菜单,但是仔细看下,其实原料也没几样,但是可以搭配出很多组合,如果顾客需要,很多没出现在菜单中的饮料他们也是可以做的。
在这个例子中,红茶、绿茶、咖啡是最基础的饮料,其他的像金桔柠檬、芒果、珍珠、椰果、焦糖等都属于装饰用的。当然,在开发中,我们确实可以像门店一样,开发这些类:LemonBlackTea、LemonGreenTea、MangoBlackTea、MangoLemonGreenTea……但是,很快我们就发现,这样子干肯定是不行的,这会导致我们需要组合出所有的可能,而且如果客人需要在红茶中加双份柠檬怎么办?三份柠檬怎么办?
不说废话了,上代码。
首先,定义饮料抽象基类:
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| public abstract class Beverage { public abstract String getDescription(); public abstract double cost(); }
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然后是三个基础饮料实现类,红茶、绿茶和咖啡:
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| public class BlackTea extends Beverage { public String getDescription() { return "红茶"; } public double cost() { return 10; } } public class GreenTea extends Beverage { public String getDescription() { return "绿茶"; } public double cost() { return 11; } } ...
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定义调料,也就是装饰者的基类,此类必须继承自 Beverage:
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| public abstract class Condiment extends Beverage { }
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然后我们来定义柠檬、芒果等具体的调料,它们属于装饰者,毫无疑问,这些调料肯定都需要继承调料 Condiment 类:
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| public class Lemon extends Condiment { private Beverage bevarage; public Lemon(Beverage bevarage) { this.bevarage = bevarage; } public String getDescription() { return bevarage.getDescription() + ", 加柠檬"; } public double cost() { return beverage.cost() + 2; } }
public class Mango extends Condiment { private Beverage bevarage; public Mango(Beverage bevarage) { this.bevarage = bevarage; } public String getDescription() { return bevarage.getDescription() + ", 加芒果"; } public double cost() { return beverage.cost() + 3; } } ...
|
看客户端调用:
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| public static void main(String[] args) { Beverage beverage = new GreenTea(); beverage = new Lemon(beverage); beverage = new Mongo(beverage);
System.out.println(beverage.getDescription() + " 价格:¥" + beverage.cost()); }
|
如果我们需要 芒果-珍珠-双份柠檬-红茶:
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| Beverage beverage = new Mongo(new Pearl(new Lemon(new Lemon(new BlackTea()))));
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是不是很变态?
看看下图可能会清晰一些:
到这里,大家应该已经清楚装饰模式了吧。
下面,我们再来说说 java IO 中的装饰模式。看下图 InputStream 派生出来的部分类:
我们知道 InputStream 代表了输入流,具体的输入来源可以是文件(FileInputStream)、管道(PipedInputStream)、数组(ByteArrayInputStream)等,这些就像前面奶茶的例子中的红茶、绿茶,属于基础输入流。
FilterInputStream 承接了装饰模式的关键节点,它的实现类是一系列装饰器,比如 BufferedInputStream 代表用缓冲来装饰,也就使得输入流具有了缓冲的功能,LineNumberInputStream 代表用行号来装饰,在操作的时候就可以取得行号了,DataInputStream 的装饰,使得我们可以从输入流转换为 java 中的基本类型值。
当然,在 java IO 中,如果我们使用装饰器的话,就不太适合面向接口编程了,如:
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| InputStream inputStream = new LineNumberInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("")));
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这样的结果是,InputStream 还是不具有读取行号的功能,因为读取行号的方法定义在 LineNumberInputStream 类中。
我们应该像下面这样使用:
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| DataInputStream is = new DataInputStream( new BufferedInputStream( new FileInputStream("")));
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所以说嘛,要找到纯的严格符合设计模式的代码还是比较难的。
门面模式
门面模式(也叫外观模式,Facade Pattern)在许多源码中有使用,比如 slf4j 就可以理解为是门面模式的应用。这是一个简单的设计模式,我们直接上代码再说吧。
首先,我们定义一个接口:
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| public interface Shape { void draw(); }
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定义几个实现类:
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| public class Circle implements Shape { @Override public void draw() { System.out.println("Circle::draw()"); } }
public class Rectangle implements Shape { @Override public void draw() { System.out.println("Rectangle::draw()"); } }
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客户端调用:
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| public static void main(String[] args) { Shape circle = new Circle(); circle.draw(); Shape rectangle = new Rectangle(); rectangle.draw(); }
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以上是我们常写的代码,我们需要画圆就要先实例化圆,画长方形就需要先实例化一个长方形,然后再调用相应的 draw() 方法。
下面,我们看看怎么用门面模式来让客户端调用更加友好一些。
我们先定义一个门面:
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| public class ShapeMaker { private Shape circle; private Shape rectangle; private Shape square;
public ShapeMaker() { circle = new Circle(); rectangle = new Rectangle(); square = new Square(); }
public void drawCircle(){ circle.draw(); } public void drawRectangle(){ rectangle.draw(); } public void drawSquare(){ square.draw(); } }
|
看看现在客户端怎么调用:
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| public static void main(String[] args) { ShapeMaker shapeMaker = new ShapeMaker();
shapeMaker.drawCircle(); shapeMaker.drawRectangle(); shapeMaker.drawSquare(); }
|
门面模式的优点显而易见,客户端不再需要关注实例化时应该使用哪个实现类,直接调用门面提供的方法就可以了,因为门面类提供的方法的方法名对于客户端来说已经很友好了。
组合模式
组合模式用于表示具有层次结构的数据,使得我们对单个对象和组合对象的访问具有一致性。
直接看一个例子吧,每个员工都有姓名、部门、薪水这些属性,同时还有下属员工集合(虽然可能集合为空),而下属员工和自己的结构是一样的,也有姓名、部门这些属性,同时也有他们的下属员工集合。
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| public class Employee { private String name; private String dept; private int salary; private List<Employee> subordinates;
public Employee(String name,String dept, int sal) { this.name = name; this.dept = dept; this.salary = sal; subordinates = new ArrayList<Employee>(); }
public void add(Employee e) { subordinates.add(e); }
public void remove(Employee e) { subordinates.remove(e); }
public List<Employee> getSubordinates(){ return subordinates; }
public String toString(){ return ("Employee :[ Name : " + name + ", dept : " + dept + ", salary :" + salary+" ]"); } }
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通常,这种类需要定义 add(node)、remove(node)、getChildren() 这些方法。
这说的其实就是组合模式,这种简单的模式我就不做过多介绍了,相信各位读者也不喜欢看我写废话。
享元模式
英文是 Flyweight Pattern,不知道是谁最先翻译的这个词,感觉这翻译真的不好理解,我们试着强行关联起来吧。Flyweight 是轻量级的意思,享元分开来说就是 共享 元器件,也就是复用已经生成的对象,这种做法当然也就是轻量级的了。
复用对象最简单的方式是,用一个 HashMap 来存放每次新生成的对象。每次需要一个对象的时候,先到 HashMap 中看看有没有,如果没有,再生成新的对象,然后将这个对象放入 HashMap 中。
这种简单的代码我就不演示了。
结构型模式总结
前面,我们说了代理模式、适配器模式、桥梁模式、装饰模式、门面模式、组合模式和享元模式。读者是否可以分别把这几个模式说清楚了呢?在说到这些模式的时候,心中是否有一个清晰的图或处理流程在脑海里呢?
代理模式是做方法增强的,适配器模式是把鸡包装成鸭这种用来适配接口的,桥梁模式做到了很好的解耦,装饰模式从名字上就看得出来,适合于装饰类或者说是增强类的场景,门面模式的优点是客户端不需要关心实例化过程,只要调用需要的方法即可,组合模式用于描述具有层次结构的数据,享元模式是为了在特定的场景中缓存已经创建的对象,用于提高性能。
行为型模式
行为型模式关注的是各个类之间的相互作用,将职责划分清楚,使得我们的代码更加地清晰。
策略模式
策略模式太常用了,所以把它放到最前面进行介绍。它比较简单,我就不废话,直接用代码说事吧。
下面设计的场景是,我们需要画一个图形,可选的策略就是用红色笔来画,还是绿色笔来画,或者蓝色笔来画。
首先,先定义一个策略接口:
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| public interface Strategy { public void draw(int radius, int x, int y); }
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然后我们定义具体的几个策略:
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| public class RedPen implements Strategy { @Override public void draw(int radius, int x, int y) { System.out.println("用红色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y); } } public class GreenPen implements Strategy { @Override public void draw(int radius, int x, int y) { System.out.println("用绿色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y); } } public class BluePen implements Strategy { @Override public void draw(int radius, int x, int y) { System.out.println("用蓝色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y); } }
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使用策略的类:
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| public class Context { private Strategy strategy;
public Context(Strategy strategy){ this.strategy = strategy; }
public int executeDraw(int radius, int x, int y){ return strategy.draw(radius, x, y); } }
|
客户端演示:
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| public static void main(String[] args) { Context context = new Context(new BluePen()); context.executeDraw(10, 0, 0); }
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放到一张图上,让大家看得清晰些:
这个时候,大家有没有联想到结构型模式中的桥梁模式,它们其实非常相似,我把桥梁模式的图拿过来大家对比下:
要我说的话,它们非常相似,桥梁模式在左侧加了一层抽象而已。桥梁模式的耦合更低,结构更复杂一些。
观察者模式
观察者模式对于我们来说,真是再简单不过了。无外乎两个操作,观察者订阅自己关心的主题和主题有数据变化后通知观察者们。
首先,需要定义主题,每个主题需要持有观察者列表的引用,用于在数据变更的时候通知各个观察者:
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| public class Subject { private List<Observer> observers = new ArrayList<Observer>(); private int state; public int getState() { return state; } public void setState(int state) { this.state = state; notifyAllObservers(); } public void attach(Observer observer) { observers.add(observer); } public void notifyAllObservers() { for (Observer observer : observers) { observer.update(); } } }
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定义观察者接口:
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| public abstract class Observer { protected Subject subject; public abstract void update(); }
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其实如果只有一个观察者类的话,接口都不用定义了,不过,通常场景下,既然用到了观察者模式,我们就是希望一个事件出来了,会有多个不同的类需要处理相应的信息。比如,订单修改成功事件,我们希望发短信的类得到通知、发邮件的类得到通知、处理物流信息的类得到通知等。
我们来定义具体的几个观察者类:
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| public class BinaryObserver extends Observer { public BinaryObserver(Subject subject) { this.subject = subject; this.subject.attach(this); } @Override public void update() { String result = Integer.toBinaryString(subject.getState()); System.out.println("订阅的数据发生变化,新的数据处理为二进制值为:" + result); } }
public class HexaObserver extends Observer { public HexaObserver(Subject subject) { this.subject = subject; this.subject.attach(this); } @Override public void update() { String result = Integer.toHexString(subject.getState()).toUpperCase(); System.out.println("订阅的数据发生变化,新的数据处理为十六进制值为:" + result); } }
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客户端使用也非常简单:
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| public static void main(String[] args) { Subject subject1 = new Subject(); new BinaryObserver(subject1); new HexaObserver(subject1); subject.setState(11); }
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output:
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| 订阅的数据发生变化,新的数据处理为二进制值为:1011 订阅的数据发生变化,新的数据处理为十六进制值为:B
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当然,jdk 也提供了相似的支持,具体的大家可以参考 java.util.Observable 和 java.util.Observer 这两个类。
实际生产过程中,观察者模式往往用消息中间件来实现,如果要实现单机观察者模式,笔者建议读者使用 Guava 中的 EventBus,它有同步实现也有异步实现,本文主要介绍设计模式,就不展开说了。
还有,即使是上面的这个代码,也会有很多变种,大家只要记住核心的部分,那就是一定有一个地方存放了所有的观察者,然后在事件发生的时候,遍历观察者,调用它们的回调函数。
责任链模式
责任链通常需要先建立一个单向链表,然后调用方只需要调用头部节点就可以了,后面会自动流转下去。比如流程审批就是一个很好的例子,只要终端用户提交申请,根据申请的内容信息,自动建立一条责任链,然后就可以开始流转了。
有这么一个场景,用户参加一个活动可以领取奖品,但是活动需要进行很多的规则校验然后才能放行,比如首先需要校验用户是否是新用户、今日参与人数是否有限额、全场参与人数是否有限额等等。设定的规则都通过后,才能让用户领走奖品。
如果产品给你这个需求的话,我想大部分人一开始肯定想的就是,用一个 List 来存放所有的规则,然后 foreach 执行一下每个规则就好了。不过,读者也先别急,看看责任链模式和我们说的这个有什么不一样?
首先,我们要定义流程上节点的基类:
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| public abstract class RuleHandler { protected RuleHandler successor; public abstract void apply(Context context); public void setSuccessor(RuleHandler successor) { this.successor = successor; } public RuleHandler getSuccessor() { return successor; } }
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接下来,我们需要定义具体的每个节点了。
校验用户是否是新用户:
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| public class NewUserRuleHandler extends RuleHandler { public void apply(Context context) { if (context.isNewUser()) { if (this.getSuccessor() != null) { this.getSuccessor().apply(context); } } else { throw new RuntimeException("该活动仅限新用户参与"); } } }
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校验用户所在地区是否可以参与:
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| public class LocationRuleHandler extends RuleHandler { public void apply(Context context) { boolean allowed = activityService.isSupportedLocation(context.getLocation); if (allowed) { if (this.getSuccessor() != null) { this.getSuccessor().apply(context); } } else { throw new RuntimeException("非常抱歉,您所在的地区无法参与本次活动"); } } }
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校验奖品是否已领完:
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| public class LimitRuleHandler extends RuleHandler { public void apply(Context context) { int remainedTimes = activityService.queryRemainedTimes(context); if (remainedTimes > 0) { if (this.getSuccessor() != null) { this.getSuccessor().apply(userInfo); } } else { throw new RuntimeException("您来得太晚了,奖品被领完了"); } } }
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客户端:
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| public static void main(String[] args) { RuleHandler newUserHandler = new NewUserRuleHandler(); RuleHandler locationHandler = new LocationRuleHandler(); RuleHandler limitHandler = new LimitRuleHandler(); locationHandler.setSuccessor(limitHandler); locationHandler.apply(context); }
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代码其实很简单,就是先定义好一个链表,然后在通过任意一节点后,如果此节点有后继节点,那么传递下去。
至于它和我们前面说的用一个 List 存放需要执行的规则的做法有什么异同,留给读者自己琢磨吧。
模板方法模式
在含有继承结构的代码中,模板方法模式是非常常用的。
通常会有一个抽象类:
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| public abstract class AbstractTemplate { public void templateMethod() { init(); apply(); end(); }
protected void init() { System.out.println("init 抽象层已经实现,子类也可以选择覆写"); }
protected abstract void apply();
protected void end() { } }
|
模板方法中调用了 3 个方法,其中 apply() 是抽象方法,子类必须实现它,其实模板方法中有几个抽象方法完全是自由的,我们也可以将三个方法都设置为抽象方法,让子类来实现。也就是说,模板方法只负责定义第一步应该要做什么,第二步应该做什么,第三步应该做什么,至于怎么做,由子类来实现。
我们写一个实现类:
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| public class ConcreteTemplate extends AbstractTemplate { public void apply() { System.out.println("子类实现抽象方法 apply"); }
public void end() { System.out.println("我们可以把 method3 当做钩子方法来使用,需要的时候覆写就可以了"); } }
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客户端调用演示:
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| public static void main(String[] args) { AbstractTemplate t = new ConcreteTemplate(); t.templateMethod(); }
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代码其实很简单,基本上看到就懂了,关键是要学会用到自己的代码中。
状态模式
update: 2017-10-19
废话我就不说了,我们说一个简单的例子。商品库存中心有个最基本的需求是减库存和补库存,我们看看怎么用状态模式来写。
核心在于,我们的关注点不再是 Context 是该进行哪种操作,而是关注在这个 Context 会有哪些操作。
定义状态接口:
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| public interface State { public void doAction(Context context); }
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定义减库存的状态:
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| public class DeductState implements State {
public void doAction(Context context) { System.out.println("商品卖出,准备减库存"); context.setState(this);
}
public String toString() { return "Deduct State"; } }
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定义补库存状态:
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| public class RevertState implements State { public void doAction(Context context) { System.out.println("给此商品补库存"); context.setState(this);
}
public String toString() { return "Revert State"; } }
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前面用到了 context.setState(this),我们来看看怎么定义 Context 类:
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| public class Context { private State state; private String name; public Context(String name) { this.name = name; } public void setState(State state) { this.state = state; } public void getState() { return this.state; } }
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我们来看下客户端调用,大家就一清二楚了:
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| public static void main(String[] args) { Context context = new Context("iPhone X"); State revertState = new RevertState(); revertState.doAction(context); State deductState = new DeductState(); deductState.doAction(context); }
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读者可能会发现,在上面这个例子中,如果我们不关心当前 context 处于什么状态,那么 Context 就可以不用维护 state 属性了,那样代码会简单很多。
不过,商品库存这个例子毕竟只是个例,我们还有很多实例是需要知道当前 context 处于什么状态的。
行为型模式总结
行为型模式部分介绍了策略模式、观察者模式、责任链模式、模板方法模式和状态模式,其实,经典的行为型模式还包括备忘录模式、命令模式等,但是它们的使用场景比较有限,而且本文篇幅也挺大了,我就不进行介绍了。
总结
学习设计模式的目的是为了让我们的代码更加的优雅、易维护、易扩展。这次整理这篇文章,让我重新审视了一下各个设计模式,对我自己而言收获还是挺大的。我想,文章的最大收益者一般都是作者本人,为了写一篇文章,需要巩固自己的知识,需要寻找各种资料,而且,自己写过的才最容易记住,也算是我给读者的建议吧。
(全文完)