Java设计模式面试专题

# 1. 设计模式概述

## 设计模式的起源
设计模式最初由建筑领域提出，而后被软件工程领域采纳，是软件开发中用于解决常见问题的一套可复用的解决方案。它们代表了在特定上下文中对于特定问题的最优化解决方式。由于软件开发的复杂性，设计模式帮助我们减少设计错误，提高系统可复用性和可维护性。

## 设计模式的分类
设计模式通常被分为三大类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。创建型模式关注对象的创建，结构型模式关注类和对象的组合，行为型模式则关注对象之间的通信。

## 设计模式的重要性
在软件开发中，应用设计模式可以使代码更加灵活，易于扩展和维护。它们不仅仅是一种编程技巧，更是一种沟通语言，帮助开发团队更有效地进行交流和协作。掌握设计模式，是每一个有抱负的软件工程师向高级工程师迈进的重要一步。

# 2. 创建型模式深度解析

创建型模式关注对象的创建过程，旨在将对象的创建与使用分离，提高系统的灵活性和可维护性。本章将深入探讨创建型模式中的三种模式：单例模式、工厂方法模式和建造者模式，并通过理论与实践相结合的方式，展示这些模式在实际开发中的应用。

## 2.1 单例模式的实现与应用

### 2.1.1 单例模式的基本原理

单例模式是最简单也是最常用的创建型设计模式之一，其核心思想是保证一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点。单例模式主要有以下几个关键特性：

- 单一职责：确保一个类只有一个实例，避免类泛滥。
- 全局访问：提供一个全局访问点，获取这个唯一的实例。
- 线程安全：在多线程环境下，确保单一实例的创建是安全的。

### 2.1.2 单例模式的多种实现方式

单例模式的实现方式多种多样，常见的有饿汉式、懒汉式、双重检查锁定、枚举以及静态内部类实现等。下面我们通过代码示例来深入了解其中两种实现方式。

#### 饿汉式实现

饿汉式实现方式中，单例的实例被声明为私有静态变量，在类加载时便实例化，保证了实例的唯一性。

public class Singleton {
    // 私有静态变量，初始化为私有，防止外部直接实例化
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // 私有构造函数，防止被外部实例化
    private Singleton() {
    }

    // 公有静态方法，返回单例实例
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

#### 懒汉式实现

懒汉式实现方式中，单例的实例在首次被调用时创建，这样可以延迟实例化，节省资源。

public class SingletonLazy {
    // 私有静态变量，声明时不初始化
    private static SingletonLazy instance;

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

    // 公有静态方法，进行双重检查锁定确保线程安全
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

#### 单例模式参数说明和逻辑分析

- `static`关键字用于声明静态变量和静态方法，使得它们属于类而不是实例。
- `final`关键字用于声明常量，如`static final`的`INSTANCE`变量确保了实例的唯一性和不变性。
- 在懒汉式实现中，双重检查锁定确保了多线程环境下实例的线程安全。

### 2.1.3 单例模式在实际中的应用场景

单例模式在软件工程中有广泛的应用，例如：

- 在日志记录器中，我们希望整个应用程序中只有一个日志记录器实例。
- 配置管理器，系统中需要统一管理配置信息。
- 数据库连接池，为了避免频繁的数据库连接和断开操作，通常使用连接池来管理数据库连接。

## 2.2 工厂方法模式的原理与实践

### 2.2.1 工厂方法模式的定义和结构

工厂方法模式是一种创建型设计模式，定义了一个创建对象的接口，但由实现这个接口的子类来决定实例化哪一个类。工厂方法模式把实例化操作推迟到子类中进行，从而满足依赖倒置原则。

工厂方法模式主要包含以下几个关键角色：

- `Product`：定义工厂方法所创建的对象的接口。
- `ConcreteProduct`：实现`Product`接口的具体类。
- `Creator`：声明工厂方法，该方法返回一个`Product`类型的对象。可以定义一个工厂方法的默认实现，返回一个默认的`ConcreteProduct`对象。
- `ConcreteCreator`：重写工厂方法以返回一个`ConcreteProduct`实例。

### 2.2.2 抽象工厂模式与工厂方法模式的对比

抽象工厂模式和工厂方法模式都是用来创建对象的，但是它们在使用场景和结构上有所不同。

- 工厂方法模式针对单一产品，有一个工厂对应一个产品。
- 抽象工厂模式针对一组相关或相互依赖的产品，有一个工厂接口来创建一组相关或相互依赖的产品。

### 2.2.3 工厂模式在软件开发中的应用案例

工厂方法模式在软件开发中有广泛的应用，例如：

- 在数据库连接的实现中，可以通过工厂方法来创建不同类型的数据库连接。
- 在图形用户界面(GUI)中，创建按钮时可以使用工厂方法来区分不同类型的按钮。

interface Button {
    void render();
}

class WindowsButton implements Button {
    public void render() {
        System.out.println("Rendering a button in Windows style.");
    }
}

class WebButton implements Button {
    public void render() {
        System.out.println("Rendering a button in Web style.");
    }
}

abstract class ButtonFactory {
    abstract Button createButton();
}

class WindowsButtonFactory extends ButtonFactory {
    Button createButton() {
        return new WindowsButton();
    }
}

class WebButtonFactory extends ButtonFactory {
    Button createButton() {
        return new WebButton();
    }
}

// 使用
ButtonFactory factory = new WindowsButtonFactory();
Button button = factory.createButton();
button.render();

#### 工厂方法模式代码逻辑的逐行解读分析

abstract class ButtonFactory {
    abstract Button createButton();
}

抽象工厂类`ButtonFactory`定义了一个抽象方法`createButton()`，这是一个工厂方法，用于创建按钮实例。在子类中，将具体实现这个方法。

class WindowsButtonFactory extends ButtonFactory {
    Button createButton() {
        return new WindowsButton();
    }
}

`WindowsButtonFactory`类继承自`ButtonFactory`类，并实现了`createButton()`方法，返回`WindowsButton`类型的实例。这样，当需要创建Windows风格的按钮时，就创建`WindowsButtonFactory`类的实例，并调用`createButton()`方法。

ButtonFactory factory = new WindowsButtonFactory();
Button button = factory.createButton();
button.render();

在使用时，首先创建`WindowsButtonFactory`的实例，调用`createButton()`方法得到按钮实例，然后调用`render()`方法渲染按钮。这种方式将创建按钮和使用按钮的逻辑分离，使得系统更加灵活，易于扩展。

## 2.3 建造者模式的框架与实例

### 2.3.1 建造者模式的概念和优点

建造者模式是另一种创建型模式，主要用于创建复杂对象，这些对象的内部构造复杂，使用多个部分组成，且这些部分的构造顺序可能会变化。

建造者模式的优点包括：

- 它将构建复杂对象的过程和它的部件解耦，使得构建过程和部件的表示隔离开来。
- 更好的复用性，如果产品有类似的构建过程，可以复用相同的建造者。
- 更好的扩展性，当需要增加一个新的产品时，只需要增加一个新的具体建造者即可。

### 2.3.2 建造者模式的代码实现与分析

下面是一个使用建造者模式创建电脑的实例：

class Computer {
    private String CPU;
    private String RAM;
    private String硬盘;

    private Computer(ComputerBuilder builder) {
        this.CPU = builder.CPU;
        this.RAM = builder.RAM;
        this.硬盘 = builder.硬盘;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Computer{" +
                "CPU='" + CPU + '\'' +
                ", RAM='" + RAM + '\'' +
                ", 硬盘='" + 硬盘 + '\'' +
                '}';
    }

    static class ComputerBuilder {
        private String CPU;
        private String RAM;
        private String 硬盘;

        public ComputerBuilder() {
        }

        public ComputerBuilder setCPU(String CPU) {
            this.CPU = CPU;
            return this;
        }

        public ComputerBuilder setRAM(String RAM) {
            this.RAM = RAM;
            return this;
        }

        public ComputerBuilder set硬盘(String 硬盘) {
            this.硬盘 = 硬盘;
            return this;
        }

        public Computer build() {
            return new Computer(this);
        }
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Computer computer = ***puterBuilder()
                .setCPU("Intel i7")
                .setRAM("16GB")
                .set硬盘("512GB SSD")
                .build();
        System.out.println(computer);
    }
}

#### 建造者模式参数说明和逻辑分析

- `Computer`类代表最终需要构建的产品。
- `ComputerBuilder`类是一个静态内部类，实现产品构建的各个步骤。
- `Computer`类的构造函数是私有的，确保外部代码不能直接创建`Computer`对象，必须通过`ComputerBuilder`类来构建。
- `ComputerBuilder`类中的`build()`方法创建一个`Computer`对象，并将自身作为参数传递给`Computer`的构造函数，实现内部对象的设置。

### 2.3.3 建造者模式在复杂对象构建中的应用

建造者模式在构建对象的各个组件有特定顺序要求或需要经过多个步骤才能完成的场景中非常有用。例如：

- 在创建复杂的查询对象时，可以通过建造者模式逐步设置查询参数，最终构建出一个完整的查询对象。
- 在游戏中构建角色的装备，可以逐步添加头盔、护甲等部件。
- 在图形用户界面(GUI)构建中，通过建造者模式逐步添加组