java 的23种设计模式

几种常用的设计模式介绍

1. 设计模式的起源

最早提出“设计模式”概念的是建筑设计大师亚力山大Alexander。在1970年他的《建筑的永恒之道》里描述了投计模式的发现，因为它已经存在了千百年之久，而现代才被通过大量的研究而被发现。

在《建筑的永恒之道》里这样描述：模式是一条由三个部分组成的通用规则：它表示了一个特定环境、一类问题和一个解决方案之间的关系。每一个模式描述了一个不断重复发生的问题，以及该问题解决方案的核心设计。

在他的另一本书《建筑模式语言》中提到了现在已经定义了253种模式。比如：

说明城市主要的结构：亚文化区的镶嵌、分散的工作点、城市的魅力、地方交通区

住宅团组：户型混合、公共性的程度、住宅团组、联排式住宅、丘状住宅、老人天地室内环境和室外环境、阴和阳总是一气呵成

针对住宅：夫妻的领域、儿童的领域、朝东的卧室、农家的厨房、私家的沿街露台、个人居室、起居空间的序列、多床卧室、浴室、大储藏室

针对办公室、车间和公共建筑物：灵活办公空间、共同进餐、共同小组、宾至如归、等候场所、小会议室、半私密办公室

尽管亚力山大的著作是针对建筑领域的，但他的观点实际上适用于所有的工程设计领域，其中也包括软件设计领域。“软件设计模式”，这个术语是在1990年代由Erich Gamma等人从建筑设计领域引入到计算机科学中来的。目前主要有23种。

2. 软件设计模式的分类

2.1. 创建型

创建对象时，不再由我们直接实例化对象；而是根据特定场景，由程序来确定创建对象的方式，从而保证更大的性能、更好的架构优势。创建型模式主要有简单工厂模式（并不是23种设计模式之一）、工厂方法、抽象工厂模式、单例模式、生成器模式和原型模式。

2.2. 结构型

用于帮助将多个对象组织成更大的结构。结构型模式主要有适配器模式、桥接模式、组合器模式、装饰器模式、门面模式、亨元模式和代理模式。

2.3. 行为型

用于帮助系统间各对象的通信，以及如何控制复杂系统中流程。行为型模式主要有命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、策略模式、模板模式和访问者模式。

3. 常见设计模式介绍

3.1. 单例模式(singleton)

有些时候，允许自由创建某个类的实例没有意义，还可能造成系统性能下降。如果一个类始终只能创建一个实例，则这个类被称为单例类，这种模式就被称为单例模式。

public class Singleton { public static void main(String[] args) { //创建Singleton对象不能通过构造器，只能通过getInstance方法 Singleton s1 = Singleton.getInstance(); Singleton s2 = Singleton.getInstance(); //将输出true System.out.println(s1 == s2); } //使用一个变量来缓存曾经创建的实例 private static Singleton instance; //将构造器使用private修饰，隐藏该构造器 private Singleton(){ System.out.println("Singleton被构造！"); } //提供一个静态方法，用于返回Singleton实例 //该方法可以加入自定义的控制，保证只产生一个Singleton对象 public static Singleton getInstance() { //如果instance为null，表明还不曾创建Singleton对象 //如果instance不为null，则表明已经创建了Singleton对象，将不会执行该方法 if (instance == null) { //创建一个Singleton对象，并将其缓存起来 instance = new Singleton(); } return instance; } }

单例模式主要有如下两个优势：

1) 减少创建Java实例所带来的系统开销

2) 便于系统跟踪单个Java实例的生命周期、实例状态等。

3.2. 简单工厂(StaticFactory Method)

简单工厂模式是由一个工厂对象决定创建出哪一种产品类的实例。简单工厂模式是工厂模式家族中最简单实用的模式，可以理解为是不同工厂模式的一个特殊实现。

A实例调用B实例的方法，称为A依赖于B。如果使用new关键字来创建一个B实例（硬编码耦合），然后调用B实例的方法。一旦系统需要重构：需要使用C类来代替B类时，程序不得不改写A类代码。而用工厂模式则不需要关心B对象的实现、创建过程。

Output，接口

public interface Output { //接口里定义的属性只能是常量 int MAX_CACHE_LINE = 50; //接口里定义的只能是public的抽象实例方法 void out(); void getData(String msg); }

Printer，Output的一个实现

//让Printer类实现Output public class Printer implements Output { private String[] printData = new String[MAX_CACHE_LINE]; //用以记录当前需打印的作业数 private int dataNum = 0; public void out() { //只要还有作业，继续打印 while(dataNum > 0) { System.out.println("打印机打印：" + printData[0]); //把作业队列整体前移一位，并将剩下的作业数减1 System.arraycopy(printData , 1, printData, 0, --dataNum); } } public void getData(String msg) { if (dataNum >= MAX_CACHE_LINE) { System.out.println("输出队列已满，添加失败"); } else { //把打印数据添加到队列里，已保存数据的数量加1。 printData[dataNum++] = msg; } } }

BetterPrinter，Output的一个实现

public class BetterPrinter implements Output { private String[] printData = new String[MAX_CACHE_LINE * 2]; //用以记录当前需打印的作业数 private int dataNum = 0; public void out() { //只要还有作业，继续打印 while(dataNum > 0) { System.out.println("高速打印机正在打印：" + printData[0]); //把作业队列整体前移一位，并将剩下的作业数减1 System.arraycopy(printData , 1, printData, 0, --dataNum); } } public void getData(String msg) { if (dataNum >= MAX_CACHE_LINE * 2) { System.out.println("输出队列已满，添加失败"); } else { //把打印数据添加到队列里，已保存数据的数量加1。 printData[dataNum++] = msg; } } }

OutputFactory，简单工厂类

public Output getPrinterOutput(String type) { if (type.equalsIgnoreCase("better")) { return new BetterPrinter(); } else { return new Printer(); } }

Computer

public class Computer { private Output out; public Computer(Output out) { this.out = out; } //定义一个模拟获取字符串输入的方法 public void keyIn(String msg) { out.getData(msg); } //定义一个模拟打印的方法 public void print() { out.out(); } public static void main(String[] args) { //创建OutputFactory OutputFactory of = new OutputFactory(); //将Output对象传入，创建Computer对象 Computer c = new Computer(of.getPrinterOutput("normal")); c.keyIn("建筑永恒之道"); c.keyIn("建筑模式语言"); c.print(); c = new Computer(of.getPrinterOutput("better")); c.keyIn("建筑永恒之道"); c.keyIn("建筑模式语言"); c.print(); }

使用简单工厂模式的优势：让对象的调用者和对象创建过程分离，当对象调用者需要对象时，直接向工厂请求即可。从而避免了对象的调用者与对象的实现类以硬编码方式耦合，以提高系统的可维护性、可扩展性。工厂模式也有一个小小的缺陷：当产品修改时，工厂类也要做相应的修改。

3.3. 工厂方法(Factory Method)和抽象工厂(Abstract Factory)

如果我们不想在工厂类中进行逻辑判断，程序可以为不同产品类提供不同的工厂，不同的工厂类和产不同的产品。

当使用工厂方法设计模式时，对象调用者需要与具体的工厂类耦合，如：

//工厂类的定义1 public class BetterPrinterFactory implements OutputFactory { public Output getOutput() { //该工厂只负责产生BetterPrinter对象 return new BetterPrinter(); } } //工厂类的定义2 public class PrinterFactory implements OutputFactory { public Output getOutput() { //该工厂只负责产生Printer对象 return new Printer(); } } //工厂类的调用 //OutputFactory of = new BetterPrinterFactory(); OutputFactory of = new PrinterFactory(); Computer c = new Computer(of.getOutput());

使用简单工厂类，需要在工厂类里做逻辑判断。而工厂类虽然不用在工厂类做判断。但是带来了另一种耦合：客户端代码与不同的工厂类耦合。

为了解决客户端代码与不同工厂类耦合的问题。在工厂类的基础上再增加一个工厂类，该工厂类不制造具体的被调用对象，而是制造不同工厂对象。如：

//抽象工厂类的定义，在工厂类的基础上再建一个工厂类 public class OutputFactoryFactory { //仅定义一个方法用于返回输出设备。 public static OutputFactory getOutputFactory( String type) { if (type.equalsIgnoreCase("better")) { return new BetterPrinterFactory(); } else { return new PrinterFactory(); } } } //抽象工厂类的调用 OutputFactory of = OutputFactoryFactory.getOutputFactory("better"); Computer c = new Computer(of.getOutput());

3.4. 代理模式(Proxy)

代理模式是一种应用非常广泛的设计模式，当客户端代码需要调用某个对象时，客户端实际上不关心是否准确得到该对象，它只要一个能提供该功能的对象即可，此时我们就可返回该对象的代理（Proxy）。

代理就是一个Java对象代表另一个Java对象来采取行动。如：

public class ImageProxy implements Image { //组合一个image实例，作为被代理的对象 private Image image; //使用抽象实体来初始化代理对象 public ImageProxy(Image image) { this.image = image; } /** * 重写Image接口的show()方法 * 该方法用于控制对被代理对象的访问， * 并根据需要负责创建和删除被代理对象 */ public void show() { //只有当真正需要调用image的show方法时才创建被代理对象 if (image == null) { image = new BigImage(); } image.show(); } }

调用时，先不创建：

Image image = new ImageProxy(null);

Hibernate默认启用延迟加载，当系统加载A实体时，A实体关联的B实体并未被加载出来，A实体所关联的B实体全部是代理对象——只有等到A实体真正需要访问B实体时，系统才会去数据库里抓取B实体所对应的记录。

借助于Java提供的Proxy和InvocationHandler，可以实现在运行时生成动态代理的功能，而动态代理对象就可以作为目标对象使用，而且增强了目标对象的功能。如：

Panther

public interface Panther { //info方法声明 public void info(); //run方法声明 public void run(); }

GunPanther

public class GunPanther implements Panther { //info方法实现，仅仅打印一个字符串 public void info() { System.out.println("我是一只猎豹！"); } //run方法实现，仅仅打印一个字符串 public void run() { System.out.println("我奔跑迅速"); } }

MyProxyFactory，创建代理对象

public class MyProxyFactory { //为指定target生成动态代理对象 public static Object getProxy(Object target) throws Exception { //创建一个MyInvokationHandler对象 MyInvokationHandler handler = new MyInvokationHandler(); //为MyInvokationHandler设置target对象 handler.setTarget(target); //创建、并返回一个动态代理 return Proxy.newProxyInstance(target.getClass().getClassLoader() , target.getClass().getInterfaces(), handler); } }

MyInvokationHandler，增强代理的功能

public class MyInvokationHandler implements InvocationHandler { //需要被代理的对象 private Object target; public void setTarget(Object target) { this.target = target; } //执行动态代理对象的所有方法时，都会被替换成执行如下的invoke方法 public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Exception { TxUtil tx = new TxUtil(); //执行TxUtil对象中的beginTx。 tx.beginTx(); //以target作为主调来执行method方法 Object result = method.invoke(target , args); //执行TxUtil对象中的endTx。 tx.endTx(); return result; } }

TxUtil

public class TxUtil { //第一个拦截器方法:模拟事务开始 public void beginTx() { System.out.println("=====模拟开始事务====="); } //第二个拦截器方法:模拟事务结束 public void endTx() { System.out.println("=====模拟结束事务====="); } }

测试

public static void main(String[] args) throws Exception { //创建一个原始的GunDog对象，作为target Panther target = new GunPanther(); //以指定的target来创建动态代理 Panther panther = (Panther)MyProxyFactory.getProxy(target); //调用代理对象的info()和run()方法 panther.info(); panther.run(); }

Spring所创建的AOP代理就是这种动态代理。但是Spring AOP更灵活。

3.5. 命令模式(Command)

某个方法需要完成某一个功能，完成这个功能的大部分步骤已经确定了，但可能有少量具体步骤无法确定，必须等到执行该方法时才可以确定。（在某些编程语言如Ruby、Perl里，允许传入一个代码块作为参数。但Jara暂时还不支持代码块作为参数）。在Java中，传入该方法的是一个对象，该对象通常是某个接口的匿名实现类的实例，该接口通常被称为命令接口，这种设计方式也被称为命令模式。

如：

Command

public interface Command { //接口里定义的process方法用于封装“处理行为” void process(int[] target); }

ProcessArray

public class ProcessArray { //定义一个each()方法，用于处理数组， public void each(int[] target , Command cmd) { cmd.process(target); } }

TestCommand

public class TestCommand { public static void main(String[] args) { ProcessArray pa = new ProcessArray(); int[] target = {3, -4, 6, 4}; //第一次处理数组，具体处理行为取决于Command对象 pa.each(target , new Command() { //重写process()方法，决定具体的处理行为 public void process(int[] target) { for (int tmp : target ) { System.out.println("迭代输出目标数组的元素:" + tmp); } } }); System.out.println("------------------"); //第二次处理数组，具体处理行为取决于Command对象 pa.each(target , new Command() { //重写process方法，决定具体的处理行为 public void process(int[] target) { int sum = 0; for (int tmp : target ) { sum += tmp; } System.out.println("数组元素的总和是:" + sum); } }); } }

HibernateTemplate使用了executeXxx()方法弥补了HibernateTemplate的不足，该方法需要接受一个HibernateCallback接口，该接口的代码如下：

public interface HibernateCallback { Object doInHibernate(Session session); }

3.6. 策略模式(Strategy)

策略模式用于封装系列的算法，这些算法通常被封装在一个被称为Context的类中，客户端程序可以自由选择其中一种算法，或让Context为客户端选择一种最佳算法——使用策略模式的优势是为了支持算法的自由切换。

DiscountStrategy，折扣方法接口

public interface DiscountStrategy { //定义一个用于计算打折价的方法 double getDiscount(double originPrice); }

OldDiscount，旧书打折算法

public class OldDiscount implements DiscountStrategy { // 重写getDiscount()方法，提供旧书打折算法 public double getDiscount(double originPrice) { System.out.println("使用旧书折扣..."); return originPrice * 0.7; } }

VipDiscount，VIP打折算法

//实现DiscountStrategy接口，实现对VIP打折的算法 public class VipDiscount implements DiscountStrategy { // 重写getDiscount()方法，提供VIP打折算法 public double getDiscount(double originPrice) { System.out.println("使用VIP折扣..."); return originPrice * 0.5; } }

策略定义

public class DiscountContext { //组合一个DiscountStrategy对象 private DiscountStrategy strategy; //构造器，传入一个DiscountStrategy对象 public DiscountContext(DiscountStrategy strategy) { this.strategy = strategy; } //根据实际所使用的DiscountStrategy对象得到折扣价 public double getDiscountPrice(double price) { //如果strategy为null，系统自动选择OldDiscount类 if (strategy == null) { strategy = new OldDiscount(); } return this.strategy.getDiscount(price); } //提供切换算法的方法 public void setDiscount(DiscountStrategy strategy) { this.strategy = strategy; } }

测试

public static void main(String[] args) { //客户端没有选择打折策略类 DiscountContext dc = new DiscountContext(null); double price1 = 79; //使用默认的打折策略 System.out.println("79元的书默认打折后的价格是：" + dc.getDiscountPrice(price1)); //客户端选择合适的VIP打折策略 dc.setDiscount(new VipDiscount()); double price2 = 89; //使用VIP打折得到打折价格 System.out.println("89元的书对VIP用户的价格是：" + dc.getDiscountPrice(price2)); }

使用策略模式可以让客户端代码在不同的打折策略之间切换，但也有一个小小的遗憾：客户端代码需要和不同的策略耦合。为了弥补这个不足，我们可以考虑使用配置文件来指定DiscountContext使用哪种打折策略——这就彻底分离客户端代码和具体打折策略类。

3.7. 门面模式(Facade)

随着系统的不断改进和开发，它们会变得越来越复杂，系统会生成大量的类，这使得程序流程更难被理解。门面模式可为这些类提供一个简化的接口，从而简化访问这些类的复杂性。

门面模式（Facade）也被称为正面模式、外观模式，这种模式用于将一组复杂的类包装到一个简单的外部接口中。

原来的方式

// 依次创建三个部门实例 Payment pay = new PaymentImpl(); Cook cook = new CookImpl(); Waiter waiter = new WaiterImpl(); // 依次调用三个部门实例的方法来实现用餐功能 String food = pay.pay(); food = cook.cook(food); waiter.serve(food);

门面模式

public class Facade { // 定义被Facade封装的三个部门 Payment pay; Cook cook; Waiter waiter; // 构造器 public Facade() { this.pay = new PaymentImpl(); this.cook = new CookImpl(); this.waiter = new WaiterImpl(); } public void serveFood() { // 依次调用三个部门的方法，封装成一个serveFood()方法 String food = pay.pay(); food = cook.cook(food); waiter.serve(food); } }

门面模式调用

Facade f = new Facade(); f.serveFood();

3.8. 桥接模式(Bridge)

由于实际的需要，某个类具有两个以上的维度变化，如果只是使用继承将无法实现这种需要，或者使得设计变得相当臃肿。而桥接模式的做法是把变化部分抽象出来，使变化部分与主类分离开来，从而将多个的变化彻底分离。最后提供一个管理类来组合不同维度上的变化，通过这种组合来满足业务的需要。

Peppery口味风格接口：

public interface Peppery { String style(); }

口味之一

public class PepperySytle implements Peppery { //实现"辣味"风格的方法 public String style() { return "辣味很重，很过瘾..."; } }

口味之二

public class PlainStyle implements Peppery { //实现"不辣"风格的方法 public String style() { return "味道清淡，很养胃..."; } }

口味的桥梁

public abstract class AbstractNoodle { //组合一个Peppery变量，用于将该维度的变化独立出来 protected Peppery style; //每份Noodle必须组合一个Peppery对象 public AbstractNoodle(Peppery style) { this.style = style; } public abstract void eat(); }

材料之一，继承口味

public class PorkyNoodle extends AbstractNoodle { public PorkyNoodle(Peppery style) { super(style); } //实现eat()抽象方法 public void eat() { System.out.println("这是一碗稍嫌油腻的猪肉面条。" + super.style.style()); } }

材料之二，继承口味

public class BeefMoodle extends AbstractNoodle { public BeefMoodle(Peppery style) { super(style); } //实现eat()抽象方法 public void eat() { System.out.println("这是一碗美味的牛肉面条。" + super.style.style()); } }

主程序

public class Test { public static void main(String[] args) { //下面将得到“辣味”的牛肉面 AbstractNoodle noodle1 = new BeefMoodle( new PepperySytle()); noodle1.eat(); //下面将得到“不辣”的牛肉面 AbstractNoodle noodle2 = new BeefMoodle( new PlainStyle()); noodle2.eat(); //下面将得到“辣味”的猪肉面 AbstractNoodle noodle3 = new PorkyNoodle( new PepperySytle()); noodle3.eat(); //下面将得到“不辣”的猪肉面 AbstractNoodle noodle4 = new PorkyNoodle( new PlainStyle()); noodle4.eat(); } }

Java EE应用中常见的DAO模式正是桥接模式的应用。

实际上，一个设计优良的项目，本身就是设计模式最好的教科书，例如Spring框架，当你深入阅读其源代码时，你会发现这个框架处处充满了设计模式的应用场景。

3.9. 观察者模式(Observer)

观察者模式定义了对象间的一对多依赖关系，让一个或多个观察者对象观察一个主题对象。当主题对象的状态发生变化时，系统能通知所有的依赖于此对象的观察者对象，从而使得观察者对象能够自动更新。

在观察者模式中，被观察的对象常常也被称为目标或主题（Subject），依赖的对象被称为观察者（Observer）。

Observer，观察者接口：

public interface Observer { void update(Observable o, Object arg); }

Observable，目标或主题：

import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.Iterator; public abstract class Observable { // 用一个List来保存该对象上所有绑定的事件监听器 List<Observer> observers = new ArrayList<Observer>(); // 定义一个方法，用于从该主题上注册观察者 public void registObserver(Observer o) { observers.add(o); } // 定义一个方法，用于从该主题中删除观察者 public void removeObserver(Observer o) { observers.add(o); } // 通知该主题上注册的所有观察者 public void notifyObservers(Object value) { // 遍历注册到该被观察者上的所有观察者 for (Iterator it = observers.iterator(); it.hasNext();) { Observer o = (Observer) it.next(); // 显式每个观察者的update方法 o.update(this, value); } } }

Product被观察类：

public class Product extends Observable { // 定义两个属性 private String name; private double price; // 无参数的构造器 public Product() { } public Product(String name, double price) { this.name = name; this.price = price; } public String getName() { return name; } // 当程序调用name的setter方法来修改Product的name属性时 // 程序自然触发该对象上注册的所有观察者 public void setName(String name) { this.name = name; notifyObservers(name); } public double getPrice() { return price; } // 当程序调用price的setter方法来修改Product的price属性时 // 程序自然触发该对象上注册的所有观察者 public void setPrice(double price) { this.price = price; notifyObservers(price); } }

NameObserver名称观察者：

import javax.swing.JFrame; import javax.swing.JLabel; public class NameObserver implements Observer { // 实现观察者必须实现的update方法 public void update(Observable o, Object arg) { if (arg instanceof String) { // 产品名称改变值在name中 String name = (String) arg; // 启动一个JFrame窗口来显示被观察对象的状态改变 JFrame f = new JFrame("观察者"); JLabel l = new JLabel("名称改变为：" + name); f.add(l); f.pack(); f.setVisible(true); System.out.println("名称观察者:" + o + "物品名称已经改变为: " + name); } } }

PriceObserver价格观察者：

public class PriceObserver implements Observer { // 实现观察者必须实现的update方法 public void update(Observable o, Object arg) { if (arg instanceof Double) { System.out.println("价格观察者:" + o + "物品价格已经改变为: " + arg); } } }

测试：

public class Test { public static void main(String[] args) { // 创建一个被观察者对象 Product p = new Product("电视机", 176); // 创建两个观察者对象 NameObserver no = new NameObserver(); PriceObserver po = new PriceObserver(); // 向被观察对象上注册两个观察者对象 p.registObserver(no); p.registObserver(po); // 程序调用setter方法来改变Product的name和price属性 p.setName("书桌"); p.setPrice(345f); } }

其中Java工具类提供了被观察者抽象基类：java.util.Observable。观察者接口：java.util.Observer。

我们可以把观察者接口理解成事件监听接口，而被观察者对象也可当成事件源处理——换个角度来思考：监听，观察，这两个词语之间有本质的区别吗？Java事件机制的底层实现，本身就是通过观察者模式来实现的。除此之外，主题/订阅模式下的JMS本身就是观察者模式的应用。