设计模式
1、单例模式
单例模式是Java中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。
注意: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。
意图:保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。
主要解决:一个全局使用的类频繁地创建与销毁。
何时使用:当您想控制实例数目,节省系统资源的时候。
如何解决:判断系统是否已经有这个单例,如果有则返回,如果没有则创建。
关键代码:构造函数是私有的。
优点: 1、在内存里只有一个实例,减少了内存的开销,尤其是频繁的创建和销毁实例(比如管理学院首页页面缓存)。 2、避免对资源的多重占用(比如写文件操作)。
缺点:没有接口,不能继承,与单一职责原则冲突,一个类应该只关心内部逻辑,而不关心外面怎么样来实例化。
a、懒汉式
懒汉式:线程不安全
是否 Lazy 初始化:是
是否多线程安全:是(构造方法加synchronized),否(构造方法不加synchronized)
实现难度:易
描述:这种方式是最基本的实现方式,这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized,所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显,不要求线程安全,在多线程不能正常工作。
/**
* 测试懒汉式单例模式
*
*/
public class SingletonDemo02 {
//类初始化时,不初始化这个对象(延时加载,真正用的时候再创建)
public static SingletonDemo02 instance;
private SingletonDemo02(){//私有化构造器
}
//方法不同步 线程不安全
public static SingletonDemo02 getInstance(){
if(instance == null){
instance = new SingletonDemo02();
}
return instance;
}
// 方法同步 线程安全 调用效率低!
// public static synchronized SingletonDemo02 getInstance(){
// if (instance == null ){
// instance = new SingletonDemo02();
// }
// return instance;
// }
}
b、饿汉式
是否 Lazy 初始化:否
是否多线程安全:是
实现难度:易
描述:这种方式比较常用,但容易产生垃圾对象。
优点:没有加锁,执行效率会提高。
缺点:类加载时就初始化,浪费内存。
它基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题,不过,instance 在类装载时就实例化,虽然导致类装载的原因有很多种,在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法, 但是也不能确定有其他的方式(或者其他的静态方法)导致类装载,这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。
public class SingletonDemo01 {
/**
* 测试饿汉式单例模式
*
*/
//初始化时,立即加载这个对象!由于加载类时,天然是线程安全的!
priate static SingletonDemo01 instance = new SingletonDemo01;
private static SingeletonDemo01(){
}
//方法没有同步 调用效率高
public static SingeletonDemo01(){
return instance;
}
}
c、双检锁、双重校验锁(DCL,即double-checked locking)
JDK 版本:JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化:是
是否多线程安全:是
实现难度:较复杂
描述:这种方式采用双锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。
public class SingletonDemo03 {
/**
* 测试双重校验锁模式
*
*/
//volatile 修饰 可以禁止JVM的指令重排,保证在多线程环境下也能正常运行
private volatile static SingletonDemo03 instance;
private SingletonDemo03(){
}
public static SingletonDemo03 getInstance(){
if (instance == null){
synchronized (SingletonDemo03.class){
if (instance == null){
instance = new SingletonDemo03();
}
}
}
return instance;
}
}
instance用volatile关键字修饰是很有必要的,instance = new SingletonDemo03();这段代码其实是分三步执行:
1、为instance分配内存空间
2、初始化instance
3、将instance指向分配的内存地址
但是由于JVM具有指令重排的特性,执行顺序有可能变成 1->3->2。指令重排在单线程环境下不会出现问题,但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如,线程1执行了1和3,此时线程2调用了getInstance()后发现instance不为空,因此返回instance,但此时instance还未被初始化。
使用volatile可以禁止JVM指令重排,保证在多线程环境下也能正常运行。
d、静态内部类
是否 Lazy 初始化:是
是否多线程安全:是
实现难度:一般
描述:这种方式能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单。对静态域使用延迟初始化,应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况,双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,它跟 b 方式不同的是: b 方式只要 Singleton 类被装载了,那么 instance 就会被实例化(没有达到 lazy loading 效果),而这种方式是 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有显示通过调用 getInstance 方法时,才会显示装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。想象一下,如果实例化 instance 很消耗资源,所以想让它延迟加载,另外一方面,又不希望在 Singleton 类加载时就实例化,因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候,这种方式相比 b 方式就显得很合理。
public class SingletonDemo04 {
/**
*
* 测试静态内部类实现单例模式
* 这种方式:线程安全,调用效率高,并且实现了延时加载!
*
*/
private static class SingletonClassinstance{
private static /*final*/ SingletonDemo04 instance = new SingletonDemo04();
}
private SingletonDemo04(){
}
//方法没有同步,调用效率高!
public static SingletonDemo04 getInstance(){
return SingletonClassinstance.instance;
}
}
e、枚举
JDK 版本:JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化:否
是否多线程安全:是
实现难度:易
描述:这种实现方式还没有被广泛采用,但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁,自动支持序列化机制,绝对防止多次实例化。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式,它不仅能避免多线程同步问题,而且还自动支持序列化机制,防止反序列化重新创建新的对象,绝对防止多次实例化。不过,由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性,用这种方式写不免让人感觉生疏,在实际工作中,也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。
/***
* 测试枚举式实现单例模式
*/
public enum SingletonDemo05 {
//这个枚举元素本身就是单例对象
INSTANCE;
//添加自己需要的操作
public void f(){
}
}
经验之谈:一般情况下,不建议使用懒汉方式,建议使用饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时,才会使用静态内部类方式。如果涉及到反序列化创建对象时,可以尝试使用枚举方式。如果有其他特殊的需求,可以考虑使用双检锁式。
2、工厂模式
a、普通工厂模式
工厂模式(Factory Pattern)是 Java 中最常用的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了一种创建对象的最佳方式。
在工厂模式中,我们在创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑,并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象。
介绍
意图:定义一个创建对象的接口,让其子类自己决定实例化哪一个工厂类,工厂模式使其创建过程延迟到子类进行。
主要解决:主要解决接口选择的问题。
何时使用:我们明确地计划不同条件下创建不同实例时。
如何解决:让其子类实现工厂接口,返回的也是一个抽象的产品。
关键代码:创建过程在其子类执行。
应用实例: 1、您需要一辆汽车,可以直接从工厂里面提货,而不用去管这辆汽车是怎么做出来的,以及这个汽车里面的具体实现。 2、Hibernate 换数据库只需换方言和驱动就可以。
优点: 1、一个调用者想创建一个对象,只要知道其名称就可以了。 2、扩展性高,如果想增加一个产品,只要扩展一个工厂类就可以。 3、屏蔽产品的具体实现,调用者只关心产品的接口。
缺点:每次增加一个产品时,都需要增加一个具体类和对象实现工厂,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。这并不是什么好事。
使用场景: 1、日志记录器:记录可能记录到本地硬盘、系统事件、远程服务器等,用户可以选择记录日志到什么地方。 2、数据库访问,当用户不知道最后系统采用哪一类数据库,以及数据库可能有变化时。 3、设计一个连接服务器的框架,需要三个协议,“POP3”、“IMAP”、“HTTP”,可以把这三个作为产品类,共同实现一个接口。
注意事项:作为一种创建类模式,在任何需要生成复杂对象的地方,都可以使用工厂方法模式。有一点需要注意的地方就是复杂对象适合使用工厂模式,而简单对象,特别是只需要通过 new 就可以完成创建的对象,无需使用工厂模式。如果使用工厂模式,就需要引入一个工厂类,会增加系统的复杂度。
1、创建一个接口
public interface Car {
void run();
}
2、创建一个工厂接口
public interface CarFactory {
Car createCar();
}
3、创建实现接口的实体类
public class Audi implements Car {
@Override
public void run() {
System.out.println("奥迪在跑!");
}
}
public class Byd implements Car {
@Override
public void run() {
System.out.println("比亚迪在跑!");
}
}
4、创建工厂,生产基于给定信息的实体类的对象
public class AudiFactory implements CarFactory{
@Override
public Car createCar() {
return new Audi();j
}
}
public class BydFactory implements CarFactory{
@Override
public Car createCar() {
return new Byd();
}
}
4、使用工厂,通过传递类型信息来获取实体类的对象
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Car c1 = new AudiFactory().createCar();
Car c2 = new BydFactory().createCar();
c1.run();
c2.run();
}
}
执行结果:
奥迪在跑!
比亚迪在跑!
b、抽象工厂模式
抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern)是围绕一个超级工厂创建其他工厂。该超级工厂又称为其他工厂的工厂。这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了一种创建对象的最佳方式。
在抽象工厂模式中,接口是负责创建一个相关对象的工厂,不需要显式指定它们的类。每个生成的工厂都能按照工厂模式提供对象。
介绍
意图:提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口,而无需指定它们具体的类。
主要解决:主要解决接口选择的问题。
何时使用:系统的产品有多于一个的产品族,而系统只消费其中某一族的产品。
如何解决:在一个产品族里面,定义多个产品。
关键代码:在一个工厂里聚合多个同类产品。
应用实例:工作了,为了参加一些聚会,肯定有两套或多套衣服吧,比如说有商务装(成套,一系列具体产品)、时尚装(成套,一系列具体产品),甚至对于一个家庭来说,可能有商务女装、商务男装、时尚女装、时尚男装,这些也都是成套的,即一系列具体产品。假设一种情况(现实中是不存在的,要不然,没法进入共产主义了,但有利于说明抽象工厂模式),在您的家中,某一个衣柜(具体工厂)只能存放某一种这样的衣服(成套,一系列具体产品),每次拿这种成套的衣服时也自然要从这个衣柜中取出了。用 OO 的思想去理解,所有的衣柜(具体工厂)都是衣柜类的(抽象工厂)某一个,而每一件成套的衣服又包括具体的上衣(某一具体产品),裤子(某一具体产品),这些具体的上衣其实也都是上衣(抽象产品),具体的裤子也都是裤子(另一个抽象产品)。
优点:当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时,它能保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。
缺点:产品族扩展非常困难,要增加一个系列的某一产品,既要在抽象的 Creator 里加代码,又要在具体的里面加代码。
使用场景: 1、QQ 换皮肤,一整套一起换。 2、生成不同操作系统的程序。
注意事项:产品族难扩展,产品等级易扩展。
public interface CarFactory {
Engine createEngine();
Seat createSeat();
Tyre createTyre();
}
public interface Engine {
void run();
void start();
}
class LuxuryEngine implements Engine{
@Override
public void run() {
System.out.println("转的快");
}
@Override
public void start() {
System.out.println("启动快,自动启停");
}
}
class LowEngine implements Engine{
@Override
public void run() {
System.out.println("转的慢");
}
@Override
public void start() {
System.out.println("启动慢");
}
}
public interface Seat {
void massage();
}
class LuxurySeat implements Seat{
@Override
public void massage() {
System.out.println("可以按摩");
}
}
class LowSeat implements Seat{
@Override
public void massage() {
System.out.println("不可以按摩");
}
}
public interface Tyre {
void revolve();
}
class LuxuryTre implements Tyre{
@Override
public void revolve() {
System.out.println("不磨损");
}
}
class LowyTyre implements Tyre{
@Override
public void revolve() {
System.out.println("磨损快");
}
}
public class LowCarFactory implements CarFactory {
@Override
public Engine createEngine() {
return new LowEngine();
}
@Override
public Seat createSeat() {
return new LowSeat();
}
@Override
public Tyre createTyre() {
return new LowyTyre();
}
}
public class LuxuryCarFactory implements CarFactory {
@Override
public Engine createEngine() {
return new LuxuryEngine();
}
@Override
public Seat createSeat() {
return new LuxurySeat();
}
@Override
public Tyre createTyre() {
return new LuxuryTre();
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
CarFactory factory = new LuxuryCarFactory();
Engine e = factory.createEngine();
e.run();
e.start();
}
}
执行结果:
转的快
启动快,自动启停
3、代理模式
在代理模式(Proxy Pattern)中,一个类代表另一个类的功能。这种类型的设计模式属于结构型模式。
介绍
意图:为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
主要解决:在直接访问对象时带来的问题,比如说:要访问的对象在远程的机器上。在面向对象系统中,有些对象由于某些原因(比如对象创建开销很大,或者某些操作需要安全控制,或者需要进程外的访问),直接访问会给使用者或者系统结构带来很多麻烦,我们可以在访问此对象时加上一个对此对象的访问层。
何时使用:想在访问一个类时做一些控制。
如何解决:增加中间层。
关键代码:实现与被代理类组合。
应用实例: 1、Windows 里面的快捷方式。 2、猪八戒去找高翠兰结果是孙悟空变的,可以这样理解:把高翠兰的外貌抽象出来,高翠兰本人和孙悟空都实现了这个接口,猪八戒访问高翠兰的时候看不出来这个是孙悟空,所以说孙悟空是高翠兰代理类。 3、买火车票不一定在火车站买,也可以去代售点。 4、一张支票或银行存单是账户中资金的代理。支票在市场交易中用来代替现金,并提供对签发人账号上资金的控制。 5、spring aop。
优点: 1、职责清晰。 2、高扩展性。 3、智能化。
缺点: 1、由于在客户端和真实主题之间增加了代理对象,因此有些类型的代理模式可能会造成请求的处理速度变慢。 2、实现代理模式需要额外的工作,有些代理模式的实现非常复杂。
使用场景:按职责来划分,通常有以下使用场景: 1、远程代理。 2、虚拟代理。 3、Copy-on-Write 代理。 4、保护(Protect or Access)代理。 5、Cache代理。 6、防火墙(Firewall)代理。 7、同步化(Synchronization)代理。 8、智能引用(Smart Reference)代理。
注意事项: 1、和适配器模式的区别:适配器模式主要改变所考虑对象的接口,而代理模式不能改变所代理类的接口。 2、和装饰器模式的区别:装饰器模式为了增强功能,而代理模式是为了加以控制。
a、静态代理
public interface Star {
//面谈
void confer();
//签合同
void signContract();
//订票
void bookTicket();
//唱歌
void sing();
//收钱
void collectMoney();
}
public class RealStar implements Star {
@Override
public void confer() {
System.out.println("R.confer");
}
@Override
public void signContract() {
System.out.println("R.sign");
}
@Override
public void bookTicket() {
System.out.println("R.book");
}
@Override
public void sing() {
System.out.println("JayChou");
}
@Override
public void collectMoney() {
System.out.println("R.collect");
}
}
public class ProxyStar implements Star{
private Star star;
public ProxyStar(Star star){
super();
this.star = star;
}
@Override
public void confer() {
System.out.println("P.confer");
}
@Override
public void signContract() {
System.out.println("P.sign");
}
@Override
public void bookTicket() {
System.out.println("P.book");
}
@Override
public void sing() {
star.sing();
}
@Override
public void collectMoney() {
System.out.println("P.collect");
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Star real = new RealStar();
Star proxy = new ProxyStar(real);
proxy.confer();
proxy.bookTicket();
proxy.sing();
proxy.collectMoney();
}
}
执行结果:
P.confer
P.book
JayChou
P.collect
b、动态代理
public interface Star {
//面谈
void confer();
//签合同
void signContract();
//订票
void bookTicket();
//唱歌
void sing();
//收钱
void collectMoney();
}
public class RealStar implements Star {
@Override
public void confer() {
System.out.println("R.confer");
}
@Override
public void signContract() {
System.out.println("R.sign");
}
@Override
public void bookTicket() {
System.out.println("R.book");
}
@Override
public void sing() {
System.out.println("JayChou");
}
@Override
public void collectMoney() {
System.out.println("R.collect");
}
}
public class StarHandler implements InvocationHandler{
Star realStar;
public StarHandler(Star realStar) {
this.realStar = realStar;
}
@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
Object object = null;
System.out.println("真正的方法执行前");
System.out.println("面谈,合同 订票");
if (method.getName().equals("sing")){
object = method.invoke(realStar,args);
}
System.out.println("真正的方法执行后");
System.out.println("收尾款");
return object;
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Star realStar = new RealStar();
StarHandler handler = new StarHandler(realStar);
Star proxy = (Star) Proxy.newProxyInstance(ClassLoader.getSystemClassLoader(),new Class[]{Star.class}, handler);
proxy.sing();
}
}
执行结果:
真正的方法执行前
面谈,合同 订票
JayChou
真正的方法执行后
收尾款
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