Java开发中的23种设计模式详解与应用
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更新于2024-07-16
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设计模式是软件工程中的一种重要概念，它们代表了在面向对象编程中经常遇到的问题及其解决方案。这些模式是经过广泛验证和实践的，旨在提高代码的可重用性、可读性和可维护性。Java中的23种设计模式可以分为三大类：创建型、结构型和行为型模式。
创建型模式关注对象的创建，它们包括：
1. 工厂方法模式：定义一个创建对象的接口，但让实现这个接口的类决定实例化哪个类。它将类的实例化推迟到子类。
2. 抽象工厂模式：提供一个接口，用于创建相关或依赖对象的家族，而无需指定具体类。
3. 单例模式：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
4. 建造者模式：将复杂对象的构建与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
5. 原型模式：通过复制已有对象来创建新对象，而不是直接创建。
结构型模式涉及如何组合对象和类，以形成更大的结构，它们包括：
1. 适配器模式：将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口。
2. 装饰器模式：动态地给一个对象添加一些额外的职责，保持对象接口不变。
3. 代理模式：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
4. 外观模式：为子系统提供一个统一的接口，使得子系统更易于使用。
5. 桥接模式：将抽象部分与实现部分分离，使它们可以独立变化。
6. 组合模式：允许你将对象组合成树形结构，以表现“整体-部分”关系。
7. 享元模式：使用共享对象可有效地支持大量细粒度的对象。
行为型模式则关注对象之间的交互和职责分配，它们包括：
1. 策略模式：定义一系列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以互相替换。
2. 模板方法模式：定义一个操作中的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中。
3. 观察者模式：定义对象间的一种一对多依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都会得到通知并自动更新。
4. 迭代子模式：提供一种方法顺序访问聚合对象的元素，而又不暴露其底层表示。
5. 责任链模式：将请求的发送者和接收者解耦，通过链式调用处理请求。
6. 命令模式：将请求封装为一个对象，以便使用不同的请求、队列请求或日志请求。
7. 备忘录模式：在不破坏封装性的前提下，捕获对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态，以便以后恢复。
8. 状态模式：允许对象在其内部状态改变时改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类。
9. 访问者模式：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作，它可以在不改变各元素类的前提下定义作用于这些元素的新操作。
10. 中介者模式：定义一个中介对象来简化原本复杂的对象交互。
11. 解释器模式：给定一种语言，定义它的文法表示，并提供一个解释器来处理这种语言中的句子。
学习和理解这23种设计模式对于Java开发者来说至关重要，它们是软件设计的基石，有助于编写出更高质量、更具扩展性的代码。在实际项目中灵活运用这些模式，可以解决许多常见的设计问题，提升软件的灵活性和可维护性。同时，了解这些模式背后的原理，可以进一步提高编程技巧，帮助开发者成长为一名优秀的软件工程师。
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：
[java] view plaincopy
1. public static synchronized Singleton getInstance() {
2. if (instance == null) {
3. instance = new Singleton();
4. }
5. return instance;
6. }
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：
[java] view plaincopy
1. public static Singleton getInstance() {
2. if (instance == null) {
3. synchronized (instance) {
4. if (instance == null) {
5. instance = new Singleton();
6. }
7. }
8. }
9. return instance;
10. }
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：
[java] view plaincopy
1. private static class SingletonFactory{
2. private static Singleton instance = new Singleton();
3. }
4. public static Singleton getInstance(){
5. return SingletonFactory.instance;
6. }
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：
[java] view plaincopy
1. public class Singleton {
2.
3. /* 私有构造方法，防止被实例化 */
4. private Singleton() {
5. }
6.
7. /* 此处使用一个内部类来维护单例 */
8. private static class SingletonFactory {
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