23种设计模式

单例模式(Singleton)

一、单例模式的定义

单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。

二、单例模式的特点

1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
单例模式保证了全局对象的唯一性，比如系统启动读取配置文件就需要单例保证配置的一致性。

三、线程安全问题

一方面在获取单例的时候，要保证不能产生多个实例对象；
另一方面，在使用单例对象的时候，要注意单例对象内的实例变量是会被多线程共享的，推荐使用无状态的对象，不会因为多个线程的交替调度而破坏自身状态导致线程安全问题，比如我们常用的VO，DTO等（局部变量是在用户栈中的，而且用户栈本身就是线程私有的内存区域，所以不存在线程安全问题）。

四、实现单例模式的八种方式

1.饿汉式（静态常量）【可用】
优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

public class Singleton {

    private static final Singleton instance = new Singleton();

    /**
     * 私有化构造方法
     */
    private Singleton() { }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

2.饿汉式（静态代码块）【可用】
这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    /**
     * 静态代码块类创建Singleton实例
     */
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    private Singleton() { }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

3.懒汉式（线程不安全）【不可用】
这种写法起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

public class Singleton {

    private static Singleton singleton;

    private Singleton() { }

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

4.懒汉式（线程安全，同步方法）【不推荐用】
解决上面第三种实现方式的线程不安全问题，做个线程同步就可以了，于是就对getInstance()方法进行了线程同步。
缺点：效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接return就行了。方法进行同步效率太低要改进。

public class Singleton {

    private static Singleton singleton;

    private Singleton() { }

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

5.懒汉式（线程安全，同步代码块）【不可用】
由于第四种实现方式同步效率太低，所以摒弃同步方法，改为同步产生实例化的的代码块。但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。

public class Singleton {

    private static Singleton singleton;

    private Singleton() { }

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

6.双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）【推荐使用】
Double-Check概念对于多线程开发者来说不会陌生，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton == null)，直接return实例化对象。
优点：线程安全、延迟加载、效率较高。

public class Singleton {

    private static volatile Singleton singleton;

    private Singleton() { }

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

7.静态内部类【推荐使用】
这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要Singleton类被装载就会实例化，没有Lazy-Loading的作用，而静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。
类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。
优点：避免了线程不安全、延迟加载、效率高。

public class Singleton {

    private Singleton() { }

    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.instance;
    }
}

8.枚举【推荐使用】
借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。

/**
 * 枚举模式：最安全
 */
public class SingletonExample6 {

    // 私有构造函数
    private SingletonExample6() {

    }

    public static SingletonExample6 getInstance() {
        return Singleton.INSTANCE.getInstance();
    }

    private enum Singleton {
        INSTANCE;

        private SingletonExample6 singleton;

        // JVM保证这个方法绝对只调用一次
        Singleton() {
            singleton = new SingletonExample6();
        }

        public SingletonExample6 getInstance() {
            return singleton;
        }
    }
}

五、单例模式的优点

系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。

六、单例模式的缺点

当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new，可能会给其他开发人员造成困扰，特别是看不到源码的时候。

七、单例模式的使用场景

• 需要频繁的进行创建和销毁的对象；
• 创建对象时耗时过多或耗费资源过多，但又经常用到的对象；
• 工具类对象；
• 频繁访问数据库或文件的对象。

工厂模式(Factory)

一、什么是工厂模式

工厂模式将目的将创建对象的具体过程屏蔽隔离起来，从而达到更高的灵活性，工厂模式可以分为三类：

简单工厂模式（Simple Factory）
工厂方法模式（Factory Method）
抽象工厂模式（Abstract Factory）

《设计模式》一书中将工厂模式分为两类：工厂方法模式与抽象工厂模式。将简单工厂模式看为工厂方法模式的一种特例，两者归为一类。

二、简单工厂模式

简单工厂模式的核心是定义一个创建对象的接口，将对象的创建和本身的业务逻辑分离，降低系统的耦合度，使得两个修改起来相对容易些，当以后实现改变时，只需要修改工厂类即可。

三、工厂方法模式

工厂方法模式将工厂抽象化，并定义一个创建对象的接口。每增加新产品，只需增加该产品以及对应的具体实现工厂类，由具体工厂类决定要实例化的产品是哪个，将对象的创建与实例化延迟到子类，这样工厂的设计就符合“开闭原则”了，扩展时不必去修改原来的代码。在使用时，用于只需知道产品对应的具体工厂，关注具体的创建过程，甚至不需要知道具体产品类的类名，当我们选择哪个具体工厂时，就已经决定了实际创建的产品是哪个了。

但缺点在于，每增加一个产品都需要增加一个具体产品类和实现工厂类，使得系统中类的个数成倍增加，在一定程度上增加了系统的复杂度，同时也增加了系统具体类的依赖。

抽象工厂 AbstractFactory：工厂方法模式的核心，是具体工厂角色必须实现的接口或者必须继承的父类，在 Java 中它由抽象类或者接口来实现。

具体工厂 Factory：被应用程序调用以创建具体产品的对象，含有和具体业务逻辑有关的代码

抽象产品 AbstractProduct：是具体产品继承的父类或实现的接口，在 Java 中一般有抽象类或者接口来实现。

具体产品 Product：具体工厂角色所创建的对象就是此角色的实例。

四、抽象工厂模式

在工厂方法模式中，我们使用一个工厂创建一个产品，一个具体工厂对应一个具体产品，但有时候我们需要一个工厂能够提供多个产品对象，而不是单一的对象，这个时候我们就需要使用抽象工厂模式。

在介绍抽象工厂模式前，我们先厘清两个概念：

产品等级结构：产品等级结构指的是产品的继承结构，例如一个空调抽象类，它有海尔空调、格力空调、美的空调等一系列的子类，那么这个空调抽象类和他的子类就构成了一个产品等级结构。
产品族：产品族是指由同一个工厂生产的，位于不同产品等级结构中的一组产品。比如，海尔工厂生产海尔空调、海尔冰箱，那么海尔空调则位于空调产品族中。

1、什么是抽象工厂模式

抽象工厂模式主要用于创建相关对象的家族。当一个产品族中需要被设计在一起工作时，通过抽象工厂模式，能够保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象；并且通过隔离具体类的生成，使得客户端不需要明确指定具体生成类；所有的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的公共接口，因此只需要改变具体工厂的实例，就可以在某种程度上改变整个软件系统的行为。

但该模式的缺点在于添加新的行为时比较麻烦，如果需要添加一个新产品族对象时，需要更改接口及其下所有子类，这必然会带来很大的麻烦。

抽象工厂 AbstractFactory：定义了一个接口，这个接口包含了一组方法用来生产产品，所有的具体工厂都必须实现此接口。

具体工厂 ConcreteFactory：用于生产不同产品族，要创建一个产品，用户只需使用其中一个工厂进行获取，完全不需要实例化任何产品对象。

抽象产品 AbstractProduct：这是一个产品家族，每一个具体工厂都能够生产一整组产品。

具体产品 Product

工厂模式小结：

1、工厂方法模式与抽象工厂模式的区别在于：

（1）工厂方法只有一个抽象产品类和一个抽象工厂类，但可以派生出多个具体产品类和具体工厂类，每个具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例。

（2）抽象工厂模式拥有多个抽象产品类（产品族）和一个抽象工厂类，每个抽象产品类可以派生出多个具体产品类；抽象工厂类也可以派生出多个具体工厂类，同时每个具体工厂类可以创建多个具体产品类的实例

五、适用场景

工厂模式适用场景如下：

如果你不想让某个子系统与较大的那个对象之间形成强耦合，而是想运行时从许多子系统中进行挑选的话，那么工厂模式是一个理想的选择
将new操作简单封装，遇到new的时候就应该考虑是否用工厂模式;
需要依赖具体环境创建不同实例，这些实例都有相同的行为,这时候我们可以使用工厂模式，简化实现的过程，同时也可以减少每种对象所需的代码量，有利于消除对象间的耦合，提供更大的灵活性

策略模式(Strategy)

策略模式的定义

策略模式是指对一系列的算法定义，并将每一个算法封装起来，而且使它们还可以相互替换。策略模式让算法独立于使用它的客户而独立变化。

模型图：

Context：上下文角色，起到封装的作用，持有一个Strategy对象的引用

Strategy：策略角色(抽象) 通常为接口

ConcreteStrategy：具体的策略角色

实例说明

比如现在的百度网盘普通的用户没有额外的空间，会员会额外的获得2T空间，而超级会员额外获得5T空间+各种福利。

1、Strategy，抽象的策略，也就是获取的额外的空间

public interface AbstractStrategy {
   // 获取额外空间的方法
   public  void  getExSpace();
}

2、ConcreteStrategy，也就是普通用户，会员，超级会员

// 普通用户
public class OrdinaryUser implements AbstractStrategy{
   
   @Override
   public void getExSpace() {
       Log.d("qzs","普通用户没有额外的空间获取");
   }
}

// 会员
public class Vip implements AbstractStrategy {
   @Override
   public void getExSpace() {
       Log.d("qzs","会员用户有2T额外的空间获取");
   }
}

// 超级会员
public class SuperVip implements AbstractStrategy {
   @Override
   public void getExSpace() {
       Log.d("qzs","超级会员用户有5T额外的空间获取");
   }
}

3、Context，上下文，为了封装

public class SpaceContext {
   private  AbstractStrategy abstractStrategy;

   public  SpaceContext(AbstractStrategy abstractStrategy){
       this.abstractStrategy=abstractStrategy;
   }
    
   // 调用抽象策略角色中的方法
   public void getExSpace(){
       this.abstractStrategy.getExSpace();
   }
}

4、调用

SpaceContext spaceContext;
       // 如果是普通用户
       spaceContext=new SpaceContext(new OrdinaryUser());
       spaceContext.getExSpace();
       // 如果是会员
       spaceContext=new SpaceContext(new Vip());
       spaceContext.getExSpace();
       // 如果是超级会员
       spaceContext=new SpaceContext(new SuperVip());
       spaceContext.getExSpace();

优缺点及适用场景

1、优点

策略模式提供了管理相关的算法族的办法，算法可以切换。

避免使用多重条件转移语句。

2、缺点

客户端知道所有的策略类，并自行决定使用哪一个策略类，策略类完全暴露了。
策略类有时会非常多。

3、适用场景

多个类只区别在表现行为不同，可以使用Strategy模式，在运行时动态选择具体要执行的行为。
需要在不同情况下使用不同的策略(算法)，或者策略还可能在未来用其它方式来实现。
对客户隐藏具体策略(算法)的实现细节，彼此完全独立。

装饰者模式(Decorator)

装饰者模式的定义

装饰者模式（Decorator Pattern）也称为包装模式（Wrapper Pattern），以透明动态的方式来动态扩展对象的功能，也是继承关系的一种代替方案。

Component：抽象组件（可以是抽象类或者接口），被装饰的原始对象
ConcreteComponent：具体实现类，被装饰的具体对象
Decorator：抽象装饰者，职责就是为了装饰我们的组件对象，内部一定要有一个指向组件对象的引用
ConcreteDecoratorA：装饰者具体实现类，只对抽象装饰者做出具体实现
ConcreteDecoratorB：同上

实例说明

将人定义为抽象类，有一个抽象方法eat()

1
2
3

public abstract class Person {
    public abstract void eat();
}

接着创建一个NormalPerson类继承Person，对eat()方法有了具体实现；NormalPerson类就是我们需要装饰的对象。

public class NormalPerson extends Person {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("吃饭");
    }
}

这里定义一个``PersonFood类来表示装饰者的抽象类，保持了一个对Person`的引用，可以方便调用具体被装饰的对象方法，这样就可以方便的对其进行扩展功能，并且不改变原类的层次结构。

public class PersonFood extends Person {
    private Person person;

    public PersonFood(Person person){
        this.person = person;
    }

    @Override
    public void eat() {
        person.eat();
    }
}

接着就是具体的装饰类了，这两个类没有本质上的区别，都是为了扩展NormalPerson类，不修改原有类的方法和结构。

public class ExpensiveFood extends PersonFood {
    public ExpensiveFood(Person person) {
        super(person);
    }

    @Override
    public void eat() {
        super.eat();
        eatSteak();
        drinkRedWine();
    }

    public void eatSteak(){
        System.out.println("吃牛排");
    }

    public void drinkRedWine(){
        System.out.println("喝拉菲");
    }

}

public class CheapFood extends PersonFood {
    public CheapFood(Person person) {
        super(person);
    }

    @Override
    public void eat() {
        super.eat();
        eatNoodles();
    }

    public void eatNoodles(){
        System.out.println("吃面条");
    }
}

客户端代码

public class Client {
    public static void main(String[] args){
        Person person = new NormalPerson();

        PersonFood cheapFood = new CheapFood(person);
        cheapFood.eat();

        PersonFood expensiveFood = new ExpensiveFood(person);
        expensiveFood.eat();
    }
}

优缺点

优点：

装饰者模式与继承关系的目的都是要扩展对象的功能，但是装饰者模式可以提供比继承更多的灵活性。
通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合，设计师可以创造出很多不同行为的组合。

缺点：

这种比继承更加灵活机动的特性，也同时意味着更加多的复杂性。
装饰模式会导致设计中出现许多小类，如果过度使用，会使程序变得很复杂。
装饰模式是针对抽象组件（Component）类型编程。但是，如果你要针对具体组件编程时，就应该重新思考你的应用架构，以及装饰者是否合适。当然也可以改变Component接口，增加新的公开的行为，实现“半透明”的装饰者模式。在实际项目中要做出最佳选择。

与代理模式的区别：

装饰者模式和代理模式很像，但是两者的目的不尽相同。装饰者模式是以对客户端透明的方式扩展对象的功能，是继承关系的一个替代方案；而代理模式则是一个给对象提供一个代理对象，并由代理对象来控制对原有对象的引用。

装饰者模式为本装饰的对象进行功能扩展；代理模式对代理对象进行控制，但不做功能扩展。

迭代器模式(Iterator Pattern)

迭代器模式（Iterator Pattern）是 Java 和 .Net 编程环境中非常常用的设计模式。这种模式用于顺序访问集合对象的元素，不需要知道集合对象的底层表示。

迭代器模式属于行为型模式。

介绍

意图：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又无须暴露该对象的内部表示。

主要解决：不同的方式来遍历整个整合对象。

何时使用：遍历一个聚合对象。

如何解决：把在元素之间游走的责任交给迭代器，而不是聚合对象。

关键代码：定义接口：hasNext, next。

应用实例：JAVA 中的 iterator。

优点： 1、它支持以不同的方式遍历一个聚合对象。 2、迭代器简化了聚合类。 3、在同一个聚合上可以有多个遍历。 4、在迭代器模式中，增加新的聚合类和迭代器类都很方便，无须修改原有代码。

缺点：由于迭代器模式将存储数据和遍历数据的职责分离，增加新的聚合类需要对应增加新的迭代器类，类的个数成对增加，这在一定程度上增加了系统的复杂性。

使用场景： 1、访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示。 2、需要为聚合对象提供多种遍历方式。 3、为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口。

注意事项：迭代器模式就是分离了集合对象的遍历行为，抽象出一个迭代器类来负责，这样既可以做到不暴露集合的内部结构，又可让外部代码透明地访问集合内部的数据。

实现

我们将创建一个叙述导航方法的 Iterator 接口和一个返回迭代器的 Container 接口。实现了 Container 接口的实体类将负责实现 Iterator 接口。

IteratorPatternDemo，我们的演示类使用实体类 NamesRepository 来打印 NamesRepository 中存储为集合的 Names。

步骤 1：

创建接口:

Iterator.java

public interface Iterator {   
    
    public boolean hasNext();   
    
    public Object next(); 
}

Container.java

public interface Container {   
    
    public Iterator getIterator(); 
    
}

步骤 2：

创建实现了 Container 接口的实体类。该类有实现了 Iterator 接口的内部类 NameIterator。

NameRepository.java

public class NameRepository implements Container {   
    public String[] names = {"Robert" , "John" ,"Julie" , "Lora"};    
    
    @Override   
    public Iterator getIterator() {      
        return new NameIterator();   
    }    
    
    private class NameIterator implements Iterator {       
        int index; 
        
        @Override      
        public boolean hasNext() {      
            if(index < names.length){          
                return true;    
            }         
            return false;   
        }     
        
        @Override    
        public Object next() {  
            if(this.hasNext()){    
                return names[index++];   
            }        
            return null;    
        }       
    }
    
}

步骤 3：

使用 NameRepository 来获取迭代器，并打印名字。

IteratorPatternDemo.java

public class IteratorPatternDemo {   
    
    public static void main(String[] args) {   
        NameRepository namesRepository = new NameRepository();     
        for(Iterator iter = namesRepository.getIterator(); iter.hasNext();){
            String name = (String)iter.next();                                                       System.out.println("Name : " + name);      
        }    
    }
    
}

步骤 4：

执行程序，输出结果：

Name : Robert
Name : John
Name : Julie
Name : Lora