【Java集合框架中的设计模式】：Google集合的设计思想深度剖析

# 1. Java集合框架概述与设计原则

## 1.1 Java集合框架简介
Java集合框架是Java API的一部分，用于存储对象集合。它包含了一组接口和实现类，这些接口和实现类支持数据的存储、检索、操作和迭代。集合框架通过提供一系列通用的数据结构和算法来简化编程任务，增强代码的可复用性和可维护性。

## 1.2 设计原则
集合框架的设计遵循以下原则：
- **接口隔离**：通过定义不同级别的接口来确保最小的功能集。
- **类层次结构**：通过继承和实现接口来构建层次结构，方便扩展和维护。
- **迭代器模式**：使用迭代器模式来遍历集合中的元素，使得不同类型的集合可以有一致的遍历方式。

## 1.3 为何重视设计原则
理解集合框架背后的设计原则对于开发者来说至关重要。它不仅帮助开发者更好地利用框架所提供的特性，而且能够指导在设计自定义集合类时做出更合理的选择。这些原则确保了Java集合框架的灵活性和扩展性，使得框架能够适应不断变化的应用需求。

> 通过本章，我们将建立对Java集合框架的初步了解，以及其背后的设计思想，为后续章节探讨集合框架与设计模式之间的联系奠定基础。

# 2. 集合框架中的创建型设计模式

## 2.1 单例模式在集合框架中的应用

### 2.1.1 单例模式理论基础

单例模式（Singleton Pattern）是一种常见的设计模式，其核心思想是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。单例模式可以细分为饿汉式、懒汉式、双重检查锁定和静态内部类等多种实现方式。

在Java集合框架中，有些类就是使用单例模式实现的。例如，`java.util.Collections` 类中的许多方法返回的集合实例，实际上是单例的。Java集合框架提供的一些工具类也常用单例模式，比如 `java.lang.System` 和 `java.lang.Runtime`。这些类通常持有对系统或运行时环境的单个引用，确保整个应用中只有一个这样的对象。

### 2.1.2 集合框架中的单例模式实践

单例模式在集合框架中的应用通常是实例缓存。以 `Collections.synchronizedList` 为例，它允许客户端通过传入一个 `List` 实例来获取一个线程安全的 `List`。但在这个过程中，`Collections` 类本身并不需要创建多个实例。

public class SingletonExample {
    // 单例实例
    private static final SingletonExample INSTANCE = new SingletonExample();

    // 私有构造函数
    private SingletonExample() {
    }

    // 公共获取实例的方法
    public static SingletonExample getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

上述代码展示了单例模式的一种实现方式。当创建集合框架工具方法时，该方法可以返回一个预定义的单例实例。这在处理线程安全集合时特别有用，如 `Collections.synchronizedSet` 方法，它返回一个同步的集合视图，但它本身是一个单例。

## 2.2 建造者模式在集合框架中的应用

### 2.2.1 建造者模式理论基础

建造者模式（Builder Pattern）是一种创建型设计模式，用于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。建造者模式主要解决在软件系统中，有时候会遇到一个复杂对象由多个部件构成，各个部件的建造顺序和组装方式不同，而产生不同的内部结构的情况。

这种模式通常包括以下几个角色：

- **指挥者（Director）**：负责安排已有模块的顺序，然后告诉Builder开始建造。
- **建造者（Builder）**：它为创建一个产品对象的各个部件指定抽象接口。
- **具体建造者（Concrete Builder）**：实现Builder的接口以构造和装配该产品的各个部件。
- **产品（Product）**：最终所创建的复杂对象。

### 2.2.2 集合框架中的建造者模式实践

在Java集合框架中，建造者模式可以应用于构建具有复杂配置的对象。例如，`java.util.Builder` 接口在Java 8中被引入，它提供了一种创建复杂对象的便捷方法。Java集合框架利用此模式提供了流畅的API，使得开发者可以以链式调用的方式构建集合。

List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("element1");
list.add("element2");
// ...

上述代码使用链式调用来添加元素到 `ArrayList`。实际上，`ArrayList` 构造函数和 `add` 方法的组合可以看作是一个简单的建造者模式实现。

## 2.3 工厂方法模式在集合框架中的应用

### 2.3.1 工厂方法模式理论基础

工厂方法模式（Factory Method Pattern）是一种创建型设计模式，提供了一种创建对象的最佳方式。在工厂方法模式中，创建对象的任务交给子类去做，这样创建实例就和使用实例的代码分离了。工厂方法模式的核心是定义一个创建对象的接口，但让实现这个接口的类来决定实例化哪一个类。

工厂方法模式的结构通常包含以下几个要素：

- **抽象工厂（Creator）**：声明工厂方法，返回一个产品。它还可以调用工厂方法来创建产品。
- **具体工厂（Concrete Creator）**：具体工厂方法覆盖并实现抽象工厂的工厂方法，返回一个具体的产品实例。
- **抽象产品（Product）**：定义产品的接口。
- **具体产品（Concrete Product）**：实现或继承抽象产品接口的具体产品类。

### 2.3.2 集合框架中的工厂方法模式实践

在Java集合框架中，工厂方法模式广泛应用在各种集合的构造方法中。例如，`java.util.Collections` 类中的 `emptyList` 方法返回了一个不可修改的空列表，该方法使用了工厂方法模式：

public static final <T> List<T> emptyList() {
    return (List<T>) EMPTY_LIST;
}

private static final List EMPTY_LIST = new EmptyList<>();

这里的 `emptyList` 方法就像是一个工厂方法，它通过返回一个预定义的不可修改的列表实例来避免每次调用都创建一个新实例。实际使用时，用户无需关心空列表的具体实现细节，只需要通过工厂方法获取即可。

以上，我们了解到单例模式、建造者模式和工厂方法模式在Java集合框架中的应用。在下一章节中，我们将探究其他类型的创建型设计模式在集合框架中的运用。

# 3. 集合框架中的结构型设计模式

## 3.1 适配器模式在集合框架中的应用

### 3.1.1 适配器模式理论基础

适配器模式是一种结构型设计模式，它允许将一个类的接口转换成客户端期望的另一个接口。这种模式可以使得原本因为接口不兼容而无法一起工作的那些类可以一起工作。

在适配器模式中，主要涉及以下三种角色：
- **目标接口（Target）**：这是客户所期待的接口，可以是抽象类或接口。
- **需要适配的类（Adaptee）**：需要被适配的类或已存在的类。
- **适配器（Adapter）**：通过包装一个需要适配的对象，将原接口转换成目标接口。

适配器模式分为两种实现方式：类适配器和对象适配器。

- **类适配器**：使用多重继承对一个接口与另一个接口进行匹配。
- **对象适配器**：将需要适配的对象作为成员变量，在适配器类中使用该对象的接口实现目标接口。

### 3.1.2 集合框架中的适配器模式实践

在Java集合框架中，适配器模式应用广泛。例如，`Arrays.asList(T... a)`方法提供了一个数组到列表的转换适配器，将数组转换为固定大小的列表。

List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "c");

这段代码演示了如何将一个数组转换为列表。`Arrays.asList()`方法作为一个适配器，接受任意类型的数组，并返回一个固定大小的`List`视图。