JAVA开发常用设计模式介绍、设计模式案例

Q:为什么要用设计模式？

设计模式（Design pattern）简单来说就是一些写代码的前辈反复验证，多次梳理而总结出的，一套被反复使用，多数人都知道的代码设计经验，就好像共同约定的一套开发方案一套模式。
使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。

工厂设计模式

什么是工厂设计模式？
工厂就是用来大量生产有着共同属性功能产品的，那么在代码的世界里，共同的也就是接口，也就是说工厂设计模式用来大量创建产品类，它们有着同一个接口。
工厂设计模式从最开始慢慢升级，可分为三类：1、普通工厂模式；2、多个工厂方法模式；3、静态工厂方法模式

普通工厂设计模式

它就是一个小型的工厂，只有一台机器用来生产，也就是使用一个工厂方法去生产

下面以发送短信和邮箱为例（转）

首先，创建二者的共同接口：

public interface Sender {      public void Send();  }  

其次，创建实现类：

public class MailSender implements Sender {      @Override      public void Send() {          System.out.println("this is mail sender!");      }  }  

public class SmsSender implements Sender {      @Override      public void Send() {          System.out.println("this is sms sender!");      }  }  

最后，建工厂类：

public class SendFactory {      public Sender produce(String type) {          if ("mail".equals(type)) {              return new MailSender();          } else if ("sms".equals(type)) {              return new SmsSender();          } else {              System.out.println("请输入正确的类型!");              return null;          }      }  }  

测试类：

public class FactoryTest {      public static void main(String[] args) {          SendFactory factory = new SendFactory();  //实例化工厂类        Sender sender = factory.produce("sms");  //传入产品编号生产对应的产品类        sender.Send();   //实现对应产品的方法    }  }  

输出：this is sms sender!

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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 class SendFactory {      public Sender produceMail(){  //生产发送邮箱的生产方法        return new MailSender();      }      public Sender produceSms(){  //生产发送信息的生产方法        return new SmsSender();      }  }  

测试类如下：

public class FactoryTest {      public static void main(String[] args) {          SendFactory factory = new SendFactory();          Sender sender = factory.produceMail();  //直接调用方法即可产生        sender.Send();      }  }  

输出：this is mailsender!

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。

public class SendFactory {      public static Sender produceMail(){          return new MailSender();      }      public static Sender produceSms(){          return new SmsSender();      }  }  

public class FactoryTest {      public static void main(String[] args) {              Sender sender = SendFactory.produceMail();          sender.Send();      }  }  

总体来说，工厂模式适合：凡是出现了大量的产品需要创建，并且具有共同的接口时，可以通过工厂方法模式进行创建。在以上的三种模式中，第一种如果传入的字符串有误，不能正确创建对象，第三种相对于第二种，不需要实例化工厂类，所以，大多数情况下，我们会选用第三种——静态工厂方法模式。

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抽象工厂模式（Abstract Factory）

当增加其它的产品时，原来的工厂就需要再增加生产机器（修改生产方法），那么这就违反了开闭原则（对扩展开放，对修改关闭），这是我们就开分工厂，有着同一个总部（工厂接口），一个分工厂生产一个产品。

产品接口代码：

public interface Sender {      public void Send();  }  

总工厂接口：

public interface Provider {      public Sender produce();  }

产品实现类：

public class MailSender implements Sender {      @Override      public void Send() {          System.out.println("this is mailsender!");      }  }  

public class SmsSender implements Sender {      @Override      public void Send() {          System.out.println("this is sms sender!");      }  } 

分工厂实现类

public class SendMailFactory implements Provider {      @Override      public Sender produce(){          return new MailSender();      }  }  

public class SendSmsFactory implements Provider{      @Override      public Sender produce() {          return new SmsSender();      }  }  

测试类：

public class Test {      public static void main(String[] args) {          Provider provider = new SendMailFactory();          Sender sender = provider.produce();          sender.Send();      }  }  

其实这个模式的好处就是，如果你现在想增加一个功能：发及时信息，则只需做一个实现类，实现Sender接口，同时做一个工厂类，实现Provider接口，就OK了，无需去改动现成的代码。这样做，拓展性较好！

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单例模式（Singleton）

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。

首先我们写一个简单的单例类：

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;      }      /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象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 = new Singleton();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：

private static class SingletonFactory{                   private static Singleton instance = new Singleton();               }               public static Singleton getInstance(){                   return SingletonFactory.instance;               }  

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：

public class Singleton {      /* 私有构造方法，防止被实例化 */      private Singleton() {      }      /* 此处使用一个内部类来维护单例 */      private static class SingletonFactory {          private static Singleton instance = new Singleton();      }      /* 获取实例 */      public static Singleton getInstance() {          return SingletonFactory.instance;      }      /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象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：

public class SingletonTest {      private static SingletonTest instance = null;      private SingletonTest() {      }      private static synchronized void syncInit() {          if (instance == null) {              instance = new SingletonTest();          }      }      public static SingletonTest 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

public class SingletonTest {        private static SingletonTest instance = null;      private Vector properties = null;        public Vector getProperties() {          return properties;      }        private SingletonTest() {      }        private static synchronized void syncInit() {          if (instance == null) {              instance = new SingletonTest();          }      }        public static SingletonTest getInstance() {          if (instance == null) {              syncInit();          }          return instance;      }        public void updateProperties() {          SingletonTest shadow = new SingletonTest();          properties = shadow.getProperties();      }  }