Java设计模式之创建型模式

     如上文所述，Java中的设计模式分为三大类，下面我们先将第一类设计模式，即创建型模式，在这几个创建型模式中，首先讲到工厂模式，然后抽象工厂模式是对工厂模式的改进，然后建造者模式，也是根据功能不同而对工厂模式的改装，读者看的时候，记得自己总结。在看单例模式的时候，记得复习下线程和序列化知识。

1、工厂模式(factory method pattern): 定义了一个创建对象的接口, 但由子类决定要实例化的类是哪一个. 工厂方法让类把实例化推迟到子类.

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。首先看下关系图：

Eg：接口：

 package fa.infa;  publicinterfaceSender {    publicvoid Send(); }

实现类：Mail类：

package fa.imple;import fa.infa.Sender; publicclassMailSender implementsSender{    @Override    publicvoid Send() {       System.out.println("This is MailSender!");    }}

Sms类：

package fa.imple;import fa.infa.Sender; publicclassSmsSender implementsSender{    @Override    publicvoid Send() {       System.out.println("This is SmsSender!");    }}

工厂类：

package fa;import fa.imple.MailSender;import fa.imple.SmsSender;import fa.infa.Sender; publicclassSenderFactory {    public Sender produce(String type) {       if("mail".equals(type)) {           returnnew MailSender();       }elseif("Sms".equals(type)) {           returnnew SmsSender();       }else{           System.out.println("请输入正确的类型！");           returnnull;       }    }}

测试：

package fa;import fa.infa.Sender; publicclassTestfa {    publicstaticvoid main(String[] args) {       SenderFactoryfac=newSenderFactory();       Sendersen=fac.produce("Sms");       sen.Send();    }}

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。关系图：

将上面的代码做下修改，改动下SendFactory类就行，如下：

public Sender produceMail() {       returnnew MailSender();    }    public Sender produceSms() {       returnnew SmsSender();    }

测试类：

package fa;import fa.infa.Sender; publicclassTestfa {    publicstaticvoid main(String[] args) {       SenderFactoryfac=newSenderFactory();       /*Sender sen=fac.produce("Sms");       sen.Send();*/       Sendersen=fac.produceMail();       sen.Send();    }}

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。

将SendFactory类修改成如下就可以了：

publicstaticSender produceMail() {       returnnew MailSender();    }    publicstatic Sender produceSms() {       returnnew SmsSender();    }

测试类：

package fa;import fa.infa.Sender; publicclassTestfa {    publicstaticvoid main(String[] args) {       //SenderFactory fac=new SenderFactory();       /*Sender sen=fac.produce("Sms");       sen.Send();*/       /*Sender sen=fac.produceMail();       sen.Send();*/       Sendersen=SenderFactory.produceSms();       sen.Send();    }} 

2，   抽象工厂模式(Abstract factory pattern): 提供一个接口, 用于创建相关或依赖对象的家族, 而不需要指定具体类.

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。也就是把原来的工厂模式下的工厂类，抽象出来一个接口，然后再用不同的工厂类来实现接口，这样避免在改动功能的时候，需要改动原来的工厂类，而是从新实现抽象出来的工厂接口即可。

Eg：接口：

package fa.infa;public interface Sender {public void Send();}

实现类：Mail类：

package fa.imple;import fa.infa.Sender;  publicclassMailSenderimplementsSender{    @Override    publicvoid Send() {       System.out.println("This is MailSender!");    }}

Sms类：

package fa.imple;import fa.infa.Sender; publicclassSmsSenderimplementsSender{    @Override    publicvoid Send() {       System.out.println("This is SmsSender!");    }}

工厂接口：

package fa.infa;publicinterfaceProvider {    public Senderproduce();}

工厂实现类（mail）：

 package fa.imFa;import fa.imple.MailSender;import fa.infa.Provider;import fa.infa.Sender;publicclassMailFaimplementsProvider{    @Override    public Sender produce() {       returnnew MailSender();    }}

工厂实现类（Sms）：

package fa.imFa;import fa.imple.SmsSender;import fa.infa.Provider;import fa.infa.Sender; publicclassSmsFaimplementsProvider{    @Override    public Sender produce() {       returnnew SmsSender();    }}

测试：

package fa;import fa.imFa.MailFa;import fa.infa.Provider;import fa.infa.Sender; publicclass Test2 {    publicstaticvoid main(String[] args) {       Providerpro=new MailFa();       Sendersen=pro.produce();       sen.Send();    }}

2，    建造者模式(Builderpattern): 也叫生成器模式，使用生成器模式封装一个产品的构造过程, 并允许按步骤构造. 将一个复杂对象的构建与它的表示分离, 使得同样的构建过程可以创建不同的表示.

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：

Eg：建造类：

package fa; import java.util.ArrayList;import java.util.List;import fa.imple.MailSender;import fa.imple.SmsSender;import fa.infa.Sender;publicclassBuilder {    private List<Sender> list= newArrayList<Sender>();       publicvoid produceMail(int count) {       for(int i=0; i<count ;i++) {           getList().add(new MailSender());       }    }    publicvoid produceSms(int count) {       for(int i=0; i<count ;i++) {           getList().add(new SmsSender());       }    }    public List<Sender>getList() {       returnlist;    }}

测试类：

package fa; import java.util.List; import fa.infa.Sender; publicclassBuTest {    publicstaticvoid main(String[] args) {       Builderbu=newBuilder();       bu.produceMail(2);       List<Sender>list=bu.getList();       for (int i=0;i<bu.getList().size();i++) {           Senderse=list.get(i);           se.Send();       }    }}

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。所以与工程模式的区别就是：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(prototype pattern): 当创建给定类的实例过程很昂贵或很复杂时, 就使用原形模式.

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：

Eg：package pro;public class Prototype implements Cloneable{public Object clone() throws CloneNotSupportedException {Prototype pro=(Prototype)super.clone();return pro;}}

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：

改写Prototype：类：package pro;import java.io.ByteArrayInputStream;import java.io.ByteArrayOutputStream;import java.io.IOException;import java.io.ObjectInputStream;import java.io.ObjectOutputStream;import java.io.Serializable;public class Prototype implements Cloneable,Serializable{private static final long serialVersionUID=1L;private String string;private SerializableObject obj; //浅复制public Object clone() throws CloneNotSupportedException {Prototype pro=(Prototype)super.clone();return pro;}//深复制public Object deepClone() throws IOException,ClassNotFoundException {//写入当前对象的二进制流ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();ObjectOutputStream oos= new ObjectOutputStream(bos);oos.writeObject(this);//读出二进制流产生的新对象ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);          return ois.readObject();  }public void setString(String string) {this.string = string;}public String getString() {return string;}public void setObj(SerializableObject obj) {this.obj = obj;}public SerializableObject getObj() {return obj;}}SerializableObject类：package pro;import java.io.Serializable;public class SerializableObject implements Serializable{private static final long serialVersionUID = 1L;}

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

5、单例了模式(Singletonpattern): 确保一个类只有一个实例, 并提供全局访问点.

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

Eg：package simple;public class Singleton {//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。private static Singleton instance=null;//私有构造方法，防止被实例化。private Singleton() {}//静态工程方法，创建实例public static Singleton getInstance() {if(instance == null) {instance= new Singleton();}return instance;}//如果该对象被序列化，可以保证在序列化前后保持一致public Object readResolve() {return instance;}}

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：

public static synchronized Singleton getInstance() {if(instance == null) {instance= new Singleton();}return instance;}

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：

public static Singleton getInstance() {if(instance == null) { synchronized(instance) { if(instance == null) { instance= new Singleton(); } }}return instance;}

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 = newSingleton();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：

//使用内部类来维护单例private static class SingletonFactory {private static Singleton instace = new Singleton();}public static Singleton getInstace() {return SingletonFactory.instace;}

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：

package simple;public class Singleton {//私有构造方法，防止被实例化。private Singleton() {}//使用内部类来维护单例private static class SingletonFactory {private static Singleton instace = new Singleton();}//获取实例public static Singleton getInstace() {return SingletonFactory.instace;}//如果该对象被序列化，可以保证在序列化前后保持一致public Object readResolve() {return getInstance;}}

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：

package simple;public class Test {private static Test instance=null;private Test() {}private static synchronized void syncInit() {if(instance == null) {instance = new Test();}}public static Test getInstance() {if(instance == null) {syncInit();}return instance;}}

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

package simple;import java.util.Vector;public class Test {private static Test instance=null;private Vector properties=null;public Vector gerProperties() {return properties;}private Test() {}private static synchronized void syncInit() {if(instance == null) {instance = new Test();}}public static Test getInstance() {if(instance == null) {syncInit();}return instance;}public void updateProperties() {Test shadow = new Test();properties = shadow.gerProperties();}}

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！