java设计模式全面详解_Java开发中的23种设计模式

学者们在学习编程语言过程当中，遇到的java设计模式种类繁多，下面小编为大家来详细讲解以下最全面的设计模式的分类以及6大原则。

一、设计模式的分类

总体来说设计模式分为三大类：

创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。

结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

其实还有两类：并发型模式和线程池模式。用一个图片来整体描述一下：

二、设计模式的六大原则

1、开闭原则（Open Close Principle）

开闭原则就是说对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。所以一句话概括就是：为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类，后面的具体设计中我们会提到这点。

2、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。—— From Baidu 百科

3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）

这个是开闭原则的基础，具体内容：真对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。

4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）

这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思，从这儿我们看出，其实设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。所以上文中多次出现：降低依赖，降低耦合。

5、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）

为什么叫最少知道原则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。

6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）

原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

三、Java的23中设计模式

从这一块开始，我们详细介绍Java中23种设计模式的概念，应用场景等情况，并结合他们的特点及设计模式的原则进行分析。

1、工厂方法模式（Factory Method）

工厂方法模式分为三种：

11、普通工厂模式，就是建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。首先看下关系图：

举例如下：（我们举一个发送邮件和短信的例子）

首先，创建二者的共同接口：

[java] view plaincopy

1. public interface Sender {

2. public void Send();

3. }

其次，创建实现类：

[java] view plaincopy

1. public class MailSender implements Sender {

2. @Override

3. public void Send() {

4. System.out.println("this is mailsender!");

5. }

6. }

[java] view plaincopy

1. public class SmsSender implements Sender {

2. @Override

3. public void Send() {

4. System.out.println("this is sms sender!");

5. }

6. }

最后，建工厂类：

[java] view plaincopy

1. public class SendFactory {

2. public Sender produce(String type) {

3. if ("mail".equals(type)) {

4. return new MailSender();

5. } else if ("sms".equals(type)) {

6. return new SmsSender();

7. } else {

8. System.out.println("请输入正确的类型!");

9. return null;

10. }

11. }

12. }

我们来测试下：

1. public class FactoryTest {

2. public static void main(String[] args) {

3. SendFactory factory = new SendFactory();

4. Sender sender = factory.produce("sms");

5. sender.Send();

6. }

7. }

输出：this is sms sender!

22、多个工厂方法模式，是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。关系图：

将上面的代码做下修改，改动下SendFactory类就行，如下：

[java] view plaincopypublic class SendFactory {

public Sender produceMail(){

1. return new MailSender();

2. }

3. public Sender produceSms(){

4. return new SmsSender();

5. }

6. }

测试类如下：

[java] view plaincopy

1. public class FactoryTest {

2. public static void main(String[] args) {

3. SendFactory factory = new SendFactory();

4. Sender sender = factory.produceMail();

5. sender.Send();

6. }

7. }

输出：this is mailsender!

33、静态工厂方法模式，将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。

[java] view plaincopy

1. public class SendFactory {

2. public static Sender produceMail(){

3. return new MailSender();

4. }

5. public static Sender produceSms(){

6. return new SmsSender();

7. }

8. }

[java] view plaincopy

1. public class FactoryTest {

2. public static void main(String[] args) {

3. Sender sender = SendFactory.produceMail();

4. sender.Send();

5. }

6. }

输出：this is mailsender!

总体来说，工厂模式适合：凡是出现了大量的产品需要创建，并且具有共同的接口时，可以通过工厂方法模式进行创建。在以上的三种模式中，第一种如果传入的字符串有误，不能正确创建对象，第三种相对于第二种，不需要实例化工厂类，所以，大多数情况下，我们会选用第三种——静态工厂方法模式。

2、抽象工厂模式（Abstract Factory）

工厂方法模式有一个问题就是，类的创建依赖工厂类，也就是说，如果想要拓展程序，必须对工厂类进行修改，这违背了闭包原则，所以，从设计角度考虑，有一定的问题，如何解决？就用到抽象工厂模式，创建多个工厂类，这样一旦需要增加新的功能，直接增加新的工厂类就可以了，不需要修改之前的代码。因为抽象工厂不太好理解，我们先看看图，然后就和代码，就比较容易理解。

请看例子：

[java] view plaincopy

1. public interface Sender {

2. public void Send();

3. }

两个实现类：

[java] view plaincopy

1. public class MailSender implements Sender {

2. @Override

3. public void Send() {

4. System.out.println("this is mailsender!");

5. }

6. }

[java] view plaincopy

1. public class SmsSender implements Sender {

2. @Override

3. public void Send() {

4. System.out.println("this is sms sender!");

5. }

6. }

两个工厂类：

[java] view plaincopy

1. public class SendMailFactory implements Provider {

2. @Override

3. public Sender produce(){

4. return new MailSender();

5. }

6. }

[java] view plaincopy

1. public class SendSmsFactory implements Provider{

2. @Override

3. public Sender produce() {

4. return new SmsSender();

5. }

6. }

在提供一个接口：

[java] view plaincopy

1. public interface Provider {

2. public Sender produce();

3. }

测试类：

[java] view plaincopy

1. public class Test {

2. public static void main(String[] args) {

3. Provider provider = new SendMailFactory();

4. Sender sender = provider.produce();

5. sender.Send();

6. }

7. }

其实这个模式的好处就是，如果你现在想增加一个功能：发及时信息，则只需做一个实现类，实现Sender接口，同时做一个工厂类，实现Provider接口，就OK了，无需去改动现成的代码。这样做，拓展性较好！

3、单例模式（Singleton）

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。

2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。

3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

首先我们写一个简单的单例类：

[java] view plaincopy

1. public class Singleton {

2. /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */

3. private static Singleton instance = null;

4. /* 私有构造方法，防止被实例化 */

5. private Singleton() {

6. }

7. /* 静态工程方法，创建实例 */

8. public static Singleton getInstance() {

9. if (instance == null) {

10. instance = new Singleton();

11. }

12. return instance;

13. }

14. /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */

15. public Object readResolve() {

16. return instance;

17. }

18. }

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. /* 私有构造方法，防止被实例化 */

3. private Singleton() {

4. }

5. /* 此处使用一个内部类来维护单例 */

6. private static class SingletonFactory {

7. private static Singleton instance = new Singleton();

8. }

9. /* 获取实例 */

10. public static Singleton getInstance() {

11. return SingletonFactory.instance;

12. }

13. /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */

14. public Object readResolve() {

15. return getInstance();

16. }

17. }

其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的：

[java] view plaincopy

1. public class SingletonTest {

2. private static SingletonTest instance = null;

3. private SingletonTest() {

4. }

5. private static synchronized void syncInit() {

6. if (instance == null) {

7. instance = new SingletonTest();

8. }

9. }

10. public static SingletonTest getInstance() {

11. if (instance == null) {

12. syncInit();

13. }

14. return instance;

15. }

16. }

考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。

补充：采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新

[java] view plaincopy

1. public class SingletonTest {

2. private static SingletonTest instance = null;

3. private Vector properties = null;

4. public Vector getProperties() {

5. return properties;

6. }

7. private SingletonTest() {

8. }

9. private static synchronized void syncInit() {

10. if (instance == null) {

11. instance = new SingletonTest();

12. }

13. }

14. public static SingletonTest getInstance() {

15. if (instance == null) {

16. syncInit();

17. }

18. return instance;

19. }

20. public void updateProperties() {

21. SingletonTest shadow = new SingletonTest();

22. properties = shadow.getProperties();

23. }

24. }

通过单例模式的学习告诉我们：

1、单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。

2、synchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁）。

到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？

首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）

其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。

再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static，无法被覆写。

最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的Java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像HashMap采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的优点，才能最好的解决问题！

4、建造者模式（Builder）

工厂类模式提供的是创建单个类的模式，而建造者模式则是将各种产品集中起来进行管理，用来创建复合对象，所谓复合对象就是指某个类具有不同的属性，其实建造者模式就是前面抽象工厂模式和最后的Test结合起来得到的。我们看一下代码：

还和前面一样，一个Sender接口，两个实现类MailSender和SmsSender。最后，建造者类如下：

[java] view plaincopy

1. public class Builder {

2. private List list = new ArrayList();

3. public void produceMailSender(int count){

4. for(int i=0; i

5. list.add(new MailSender());

6. }

7. }

8. public void produceSmsSender(int count){

9. for(int i=0; i

10. list.add(new SmsSender());

11. }

12. }

13. }

测试类：

[java] view plaincopy

1. public class Test {

2. public static void main(String[] args) {

3. Builder builder = new Builder();

4. builder.produceMailSender(10);

5. }

6. }

从这点看出，建造者模式将很多功能集成到一个类里，这个类可以创造出比较复杂的东西。所以与工程模式的区别就是：工厂模式关注的是创建单个产品，而建造者模式则关注创建符合对象，多个部分。因此，是选择工厂模式还是建造者模式，依实际情况而定。

5、原型模式（Prototype）

原型模式虽然是创建型的模式，但是与工程模式没有关系，从名字即可看出，该模式的思想就是将一个对象作为原型，对其进行复制、克隆，产生一个和原对象类似的新对象。本小结会通过对象的复制，进行讲解。在Java中，复制对象是通过clone()实现的，先创建一个原型类：

[java] view plaincopy

1. public class Prototype implements Cloneable {

2. public Object clone() throws CloneNotSupportedException {

3. Prototype proto = (Prototype) super.clone();

4. return proto;

5. }

6. }

很简单，一个原型类，只需要实现Cloneable接口，覆写clone方法，此处clone方法可以改成任意的名称，因为Cloneable接口是个空接口，你可以任意定义实现类的方法名，如cloneA或者cloneB，因为此处的重点是super.clone()这句话，super.clone()调用的是Object的clone()方法，而在Object类中，clone()是native的，具体怎么实现，我会在另一篇文章中，关于解读Java中本地方法的调用，此处不再深究。在这儿，我将结合对象的浅复制和深复制来说一下，首先需要了解对象深、浅复制的概念：

浅复制：将一个对象复制后，基本数据类型的变量都会重新创建，而引用类型，指向的还是原对象所指向的。

深复制：将一个对象复制后，不论是基本数据类型还有引用类型，都是重新创建的。简单来说，就是深复制进行了完全彻底的复制，而浅复制不彻底。

此处，写一个深浅复制的例子：

[java] view plaincopy

1. public class Prototype implements Cloneable, Serializable {

2. private static final long serialVersionUID = 1L;

3. private String string;

4. private SerializableObject obj;

5. /* 浅复制 */

6. public Object clone() throws CloneNotSupportedException {

7. Prototype proto = (Prototype) super.clone();

8. return proto;

9. }

10. /* 深复制 */

11. public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {

12. /* 写入当前对象的二进制流 */

13. ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();

14. ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);

15. oos.writeObject(this);

16. /* 读出二进制流产生的新对象 */

17. ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());

18. ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);

19. return ois.readObject();

20. }

21. public String getString() {

22. return string;

23. }

24. public void setString(String string) {

25. this.string = string;

26. }

27. public SerializableObject getObj() {

28. return obj;

29. }

30. public void setObj(SerializableObject obj) {

31. this.obj = obj;

32. }

33. }

34. class SerializableObject implements Serializable {

35. private static final long serialVersionUID = 1L;

36. }

要实现深复制，需要采用流的形式读入当前对象的二进制输入，再写出二进制数据对应的对象。

我们接着讨论设计模式，上篇文章我讲完了5种创建型模式，这章开始，我将讲下7种结构型模式：适配器模式、装饰模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。其中对象的适配器模式是各种模式的起源，我们看下面的图：

适配器模式将某个类的接口转换成客户端期望的另一个接口表示，目的是消除由于接口不匹配所造成的类的兼容性问题。主要分为三类：类的适配器模式、对象的适配器模式、接口的适配器模式。首先，我们来看看类的适配器模式，先看类图：

核心思想就是：有一个Source类，拥有一个方法，待适配，目标接口时Targetable，通过Adapter类，将Source的功能扩展到Targetable里，看代码：

[java] view plaincopy

1. public class Source {

2. public void method1() {

3. System.out.println("this is original method!");

4. }

5. }

[java] view plaincopy

1. public interface Targetable {

2. /* 与原类中的方法相同 */

3. public void method1();

4. /* 新类的方法 */

5. public void method2();

6. }

[java] view plaincopy

1. public class Adapter extends Source implements Targetable {

2. @Override

3. public void method2() {

4. System.out.println("this is the targetable method!");

5. }

6. }

Adapter类继承Source类，实现Targetable接口，下面是测试类：

[java] view plaincopy

1. public class AdapterTest {

2. public static void main(String[] args) {

3. Targetable target = new Adapter();

4. target.method1();

5. target.method2();

6. }

7. }

输出：

this is original method!
this is the targetable method!

这样Targetable接口的实现类就具有了Source类的功能。

对象的适配器模式

基本思路和类的适配器模式相同，只是将Adapter类作修改，这次不继承Source类，而是持有Source类的实例，以达到解决兼容性的问题。看图：

只需要修改Adapter类的源码即可：

[java] view plaincopy

1. public class Wrapper implements Targetable {

2. private Source source;

3. public Wrapper(Source source){

4. super();

5. this.source = source;

6. }

7. @Override

8. public void method2() {

9. System.out.println("this is the targetable method!");

10. }

11. @Override

12. public void method1() {

13. source.method1();

14. }

15. }

测试类：

[java] view plaincopy

1. public class AdapterTest {

2. public static void main(String[] args) {

3. Source source = new Source();

4. Targetable target = new Wrapper(source);

5. target.method1();

6. target.method2();

7. }

8. }

输出与第一种一样，只是适配的方法不同而已。

第三种适配器模式是接口的适配器模式，接口的适配器是这样的：有时我们写的一个接口中有多个抽象方法，当我们写该接口的实现类时，必须实现该接口的所有方法，这明显有时比较浪费，因为并不是所有的方法都是我们需要的，有时只需要某一些，此处为了解决这个问题，我们引入了接口的适配器模式，借助于一个抽象类，该抽象类实现了该接口，实现了所有的方法，而我们不和原始的接口打交道，只和该抽象类取得联系，所以我们写一个类，继承该抽象类，重写我们需要的方法就行。看一下类图：

这个很好理解，在实际开发中，我们也常会遇到这种接口中定义了太多的方法，以致于有时我们在一些实现类中并不是都需要。看代码：

[java] view plaincopy

1. public interface Sourceable {

2. public void method1();

3. public void method2();

4. }

抽象类Wrapper2：

[java] view plaincopy

1. public abstract class Wrapper2 implements Sourceable{

2. public void method1(){}

3. public void method2(){}

4. }

[java] view plaincopy

1. public class SourceSub1 extends Wrapper2 {

2. public void method1(){

3. System.out.println("the sourceable interface's first Sub1!");

4. }

5. }

[java] view plaincopy

1. public class SourceSub2 extends Wrapper2 {

2. public void method2(){

3. System.out.println("the sourceable interface's second Sub2!");

4. }

5. }

[java] view plaincopy

1. public class WrapperTest {

2. public static void main(String[] args) {

3. Sourceable source1 = new SourceSub1();

4. Sourceable source2 = new SourceSub2();

5. source1.method1();

6. source1.method2();

7. source2.method1();

8. source2.method2();

9. }

10. }

测试输出：

the sourceable interface's first Sub1!
the sourceable interface's second Sub2!

达到了我们的效果！

讲了这么多，总结一下三种适配器模式的应用场景：

类的适配器模式：当希望将一个类转换成满足另一个新接口的类时，可以使用类的适配器模式，创建一个新类，继承原有的类，实现新的接口即可。

对象的适配器模式：当希望将一个对象转换成满足另一个新接口的对象时，可以创建一个Wrapper类，持有原类的一个实例，在Wrapper类的方法中，调用实例的方法就行。

接口的适配器模式：当不希望实现一个接口中所有的方法时，可以创建一个抽象类Wrapper，实现所有方法，我们写别的类的时候，继承抽象类即可。

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