设计模式篇(二):一文搞懂创建型模式

文章需要耐心学习理解

单例模式

单例模式属于创建型模式，所谓类的单例设计模式，就是采用一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在唯一的实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法（静态方法）

比如Mybatis的SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建Session对象。SessionFactory并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个SessionFactory就够了，这时就会使用到单例模式，那单例模式怎么使用？如何实现？下面会详细解释

饿汉模式

实现步骤：

构造器私有化（防止new）
类的内部创建对象
向外部暴露一个静态的公共方法
代码实现

java 复制代码

public class SingletonTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance==instance1);
    }
}

class Singleton {

    //1.设置私有构造方法,这就堵死了外界利用new关键字创建此类实例的可能
    private Singleton(){

    }

    //2.本类内部创建对象实例
    private static final Singleton SINGLETON = new Singleton();


    //3.对外提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance(){
        return SINGLETON;
    }


}

所谓饿汉模式，就是采用静态常量提前在编译期间创建好对象，java中的常量是唯一存在的，在类中提供getinstance获取对象即可，由于是在编译器提前创建，并不具备延迟加载(用时创建)，因此称为懒汉模式。虽然不具备延迟加载，但是我认为延迟加载不一定就好，如果一个对象创建较为复杂耗时，那将创建对象提前到编译期间而不是用时创建，其实是好的选择

懒汉模式

java 复制代码

    public class SingletonTest02 {
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println("懒汉式，此种方法线程不安全");
            Singleton singleton = Singleton.getInstance();
            Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
            System.out.println(singleton == singleton1);
    
        }
    }
    
    class Singleton {
    
        private static Singleton singleton;
    
        private Singleton() {
        }
    
        public static Singleton getInstance() {
            if (singleton == null) {
                singleton = new Singleton();
            }
            return singleton;
        }
    }

懒汉模式相比饿汉模式来说，支持延迟加载，在getinstance的调用时才会创建对象使用，但是上面的实现是线程不安全的，下面实现线程安全的

java 复制代码

  public class SingletonTest03 {
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println("懒汉式，线程不安全");
            Singleton singleton = Singleton.getInstance();
            Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
            System.out.println(singleton==singleton1);
        }
    }
    
    class Singleton {
    
        private static Singleton singleton;
    
        private Singleton() {
        }
    
        //加入同步处理的代码
        public static synchronized Singleton getInstance() {
            if (singleton == null) {
                singleton = new Singleton();
            }
            return singleton;
        }
    }

线程安全的是通过加锁实现的，synchronized加在静态方法上，对单例类进行加锁，使每个进来的线程都能看到这把锁，但是这样会导致不必要的锁竞争，效率低，实际上懒汉模式还有一种线程安全的写法

双重检测

java 复制代码

  public class SingletonTest04 {
      public static void main(String[] args) {
          System.out.println("懒汉式，线程不安全");
          Singleton singleton = Singleton.getInstance();
          Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
          System.out.println(singleton==singleton1);
      }
  }
  
  class Singleton {
  
      private static volatile Singleton singleton;
  
      private Singleton() {
      }
  
      public static  Singleton getInstance() {
          if (singleton == null) {
              synchronized (Singleton.class){
                  if (singleton==null){
                      singleton = new Singleton();
                  }
              }
          }
          return singleton;
      }
  }

这样提高代码效率，虽然也是加了类锁，但是减少了线程之间的竞争。因此双重检测的写法较为推荐

枚举模式

由于java的枚举的特性，天生支持单例模式，下面举个例子

java 复制代码

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

使用时，只需要Singleton.INSTANCE就可以了

静态内部类

我们再来看一种比双重检测更加简单的实现方法，那就是利用 Java 的静态内部类。它有点类似饿汉式，但又能做到了延迟加载。具体是怎么做到的呢？

java 复制代码

public class IdGenerator {
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    private IdGenerator() {}
    private static class SingletonHolder{
        private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
    }
    public static IdGenerator getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
    public long getId() {
        return id.incrementAndGet();
    }
}

这是一个id生成器的例子，其中SingletonHolder是静态内部类，当调用getInstance方法是，使用到静态内部类时才会去创建使用，而一旦调用静态内部类就会去创建IdGenerator对象，实现了不需要加锁且延迟加载的单例模式

工厂模式

工厂模式属于创建型模式，一共有三种，分别是：简单工厂模式，方法工厂模式以及抽象工厂模式

简单工厂模式

先设计一个场景，我们需要一个配置加载器，根据传递参数不同，加载不同的参数解析器，比如json,xml等。看下代码

java 复制代码

private IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
IRuleConfigParser parser = null;
if ("json".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new JsonRuleConfigParser();
} else if ("xml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new XmlRuleConfigParser();
} else if ("yaml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new YamlRuleConfigParser();
} else if ("properties".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new PropertiesRuleConfigParser();
}
return parser;
}

这是原本的样子，封装在一个方法中，通过闯入参数不同去创建不同参数解析器返回，但是为了让一个类功能更加单一，我们还可以进一步将 createParser() 函数剥离到一个独立的类中，让这个类只负责对象的创建。而这个类就是我们现在要讲的简单工厂模式类，看下面代码

java 复制代码

public class RuleConfigParserFactory {
public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
IRuleConfigParser parser = null;
if ("json".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new JsonRuleConfigParser();
} else if ("xml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new XmlRuleConfigParser();
} else if ("yaml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new YamlRuleConfigParser();
} else if ("properties".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new PropertiesRuleConfigParser();
}
return parser;
}
}

这样就是简单工厂模式了，在上面的代码实现中，我们每次调用createParser() 的时候，都要创建一个新的 parser。实际上，如果 parser 可以复用，为了节省内存和对象创建的时间，我们可以将 parser 事先创建好缓存起来。当调用 createParser() 函数的时候，我们从缓存中取出 parser 对象直接使用

这有点类似单例模式和简单工厂模式的结合，具体的代码实现如下所示。在接下来的讲解中，我们把上一种实现方法叫作简单工厂模式的第一种实现方法，把下面这种实现方法叫作简单工厂模式的第二种实现方法

java 复制代码

public class RuleConfigParserFactory {
    private static final Map<String, RuleConfigParser> cachedParsers = new HashMa
    static {
        cachedParsers.put("json", new JsonRuleConfigParser());
        cachedParsers.put("xml", new XmlRuleConfigParser());
        cachedParsers.put("yaml", new YamlRuleConfigParser());
        cachedParsers.put("properties", new PropertiesRuleConfigParser());
    }
    public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
        if (configFormat == null || configFormat.isEmpty()) {
            return null;//返回null还是IllegalArgumentException全凭你自己说了算
        }
        IRuleConfigParser parser = cachedParsers.get(configFormat.toLowerCase());
        return parser;
    }
}

总结一下，尽管简单工厂模式的代码实现中，有多处 if 分支判断逻辑，违背开闭原则，但权衡扩展性和可读性，这样的代码实现在大多数情况下（比如，不需要频繁地添加 parser，也没有太多的 parser）是没有问题的

工厂方法

如果我们非得要将 if 分支逻辑去掉，那该怎么办呢？比较经典处理方法就是利用多态。按照多态的实现思路，对上面的代码进行重构。重构之后的代码如下所示

java 复制代码

public interface IRuleConfigParserFactory {
IRuleConfigParser createParser();
}
public class JsonRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
@Override
public IRuleConfigParser createParser() {
return new JsonRuleConfigParser();
}
}
public class XmlRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
@Override
public IRuleConfigParser createParser() {
return new XmlRuleConfigParser();
}
}
public class YamlRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
@Override
public IRuleConfigParser createParser() {
return new YamlRuleConfigParser();
}
}
public class PropertiesRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFact
@Override
public IRuleConfigParser createParser() {
return new PropertiesRuleConfigParser();
}
}

利用多态，当需要增加一种配置解析器时，只需要增加一个实现类即可，所以，工厂方法模式比起简单工厂模式更加符合开闭原则，但是这样的话当使用对于解析器时就复杂很多，看下面代码：

java 复制代码

if ("json".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
parserFactory = new JsonRuleConfigParserFactory();
} else if ("xml".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
parserFactory = new XmlRuleConfigParserFactory();
} else if ("yaml".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
parserFactory = new YamlRuleConfigParserFactory();
} else if ("properties".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
parserFactory = new PropertiesRuleConfigParserFactory();
} else {
throw new InvalidRuleConfigException("Rule config file format is not supp
}
IRuleConfigParser parser = parserFactory.createParser();

在使用时依旧是通过if else来判断使用的，那么我们可不可以改造成使用上面的方法，使用map缓存起来，使用时取走的方式呢？实际是可以的，我们需要创建工厂的工厂，也就是对工厂方法模式在套一个简单工厂模式，看代码：

java 复制代码

public class RuleConfigParserFactoryMap { //工厂的工厂
private static final Map<String, IRuleConfigParserFactory> cachedFactories =
static {
cachedFactories.put("json", new JsonRuleConfigParserFactory());
cachedFactories.put("xml", new XmlRuleConfigParserFactory());
cachedFactories.put("yaml", new YamlRuleConfigParserFactory());
cachedFactories.put("properties", new PropertiesRuleConfigParserFactory())
}
public static IRuleConfigParserFactory getParserFactory(String type) {
if (type == null || type.isEmpty()) {
return null;
}
IRuleConfigParserFactory parserFactory = cachedFactories.get(type.toLowerCa
return parserFactory;
}
}

这样就简化很多

抽象工厂

讲完了简单工厂、工厂方法，我们再来看抽象工厂模式。抽象工厂模式的应用场景比较特殊，没有前两种常用，只需要了解下就行

解析器类只会根据配置文件格式（Json、Xml、Yaml......）来分类。但是，如果类有两种分类方式，比如，我们既可以按照配置文件格式来分类，也可以按照解析的对象（Rule 规则配置还是 System 系统配置）来分类，那就会对应下面这 8 个 parser 类

java 复制代码

针对规则配置的解析器：基于接口IRuleConfigParser
JsonRuleConfigParser
XmlRuleConfigParser
YamlRuleConfigParser
PropertiesRuleConfigParser
针对系统配置的解析器：基于接口ISystemConfigParser
JsonSystemConfigParser
XmlSystemConfigParser
YamlSystemConfigParser
PropertiesSystemConfigParser

针对这种特殊的场景，如果还是继续用工厂方法来实现的话，我们要针对每个 parser 都编写一个工厂类，也就是要编写 8 个工厂类。如果我们未来还需要增加针对业务配置的解析器（比如 IBizConfigParser），那就要再对应地增加 4 个工厂类。而我们知道，过多的类也会让系统难维护。这个问题该怎么解决呢？

抽象工厂就是针对这种非常特殊的场景而诞生的。我们可以让一个工厂负责创建多个不同类型的对象（IRuleConfigParser、ISystemConfigParser 等），而不是只创建一种 parser 对象。这样就可以有效地减少工厂类的个数。具体的代码实现如下所示：

java 复制代码

public interface IConfigParserFactory {
IRuleConfigParser createRuleParser();
ISystemConfigParser createSystemParser();
//此处可以扩展新的parser类型，比如IBizConfigParser
}
public class JsonConfigParserFactory implements IConfigParserFactory {
@Override
public IRuleConfigParser createRuleParser() {
return new JsonRuleConfigParser();
}
@Override
public ISystemConfigParser createSystemParser() {
return new JsonSystemConfigParser();
}
}
public class XmlConfigParserFactory implements IConfigParserFactory {
@Override
public IRuleConfigParser createRuleParser() {
return new XmlRuleConfigParser();
}
@Override
public ISystemConfigParser createSystemParser() {
return new XmlSystemConfigParser();
}
}

建造者模式

主要解决在软件系统中，有时候面临着"一个复杂对象"的创建工作，其通常由各个部分的子对象用一定的算法构成；由于需求的变化，这个复杂对象的各个部分经常面临着剧烈的变化，但是将它们组合在一起的算法却相对稳定

上面是官方的解释，举个例子，就是创建一个对象时，我们可能会在构造方法中写入参数，但是当一个对象的创建需要很多参数，且参数有必要的参数，也有非必要的参数，那继续沿用现在的设计思路，构造函数的参数列表会变得很长，代码在可读性和易用性上都会变差。在使用构造函数的时候，我们就容易搞错各参数的顺序，传递进错误的参数值，导致非常隐蔽的 bug，所以我们使用建造者模式来解决这个问题

接下来我们使用资源池的例子来解释建造者模式，直接看代码理解：

java 复制代码

public class ResourcePoolConfig {
private String name;
private int maxTotal;
private int maxIdle;
private int minIdle;
private ResourcePoolConfig(Builder builder) {
this.name = builder.name;
this.maxTotal = builder.maxTotal;
this.maxIdle = builder.maxIdle;
this.minIdle = builder.minIdle;
}
//...省略getter方法...
//我们将Builder类设计成了ResourcePoolConfig的内部类。
//我们也可以将Builder类设计成独立的非内部类ResourcePoolConfigBuilder。
public static class Builder {
private static final int DEFAULT_MAX_TOTAL = 8;
private static final int DEFAULT_MAX_IDLE = 8;
private static final int DEFAULT_MIN_IDLE = 0;
private String name;
private int maxTotal = DEFAULT_MAX_TOTAL;
private int maxIdle = DEFAULT_MAX_IDLE;
private int minIdle = DEFAULT_MIN_IDLE;
public ResourcePoolConfig build() {
// 校验逻辑放到这里来做，包括必填项校验、依赖关系校验、约束条件校验等
if (StringUtils.isBlank(name)) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
if (maxIdle > maxTotal) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
if (minIdle > maxTotal || minIdle > maxIdle) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
return new ResourcePoolConfig(this);
}
public Builder setName(String name) {
if (StringUtils.isBlank(name)) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
this.name = name;
return this;
}
public Builder setMaxTotal(int maxTotal) {
if (maxTotal <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
this.maxTotal = maxTotal;
return this;
}
public Builder setMaxIdle(int maxIdle) {
if (maxIdle < 0) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
this.maxIdle = maxIdle;
return this;
}
public Builder setMinIdle(int minIdle) {
if (minIdle < 0) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
this.minIdle = minIdle;
return this;
}
}
}
// 这段代码会抛出IllegalArgumentException，因为minIdle>maxIdle
ResourcePoolConfig config = new ResourcePoolConfig.Builder()
.setName("dbconnectionpool")
.setMaxTotal(16)
.setMaxIdle(10)
.setMinIdle(12)
.build();

在ResourcePoolConfig资源池类中，将构造方法私有，不允许外界直接创建对象，同时参数改为Builder对象，Builder是内部类，本身具有无参构造方法Builder(),还提供了build()方法，来将自身参数赋值给ResourcePoolConfig对象，并且创建ResourcePoolConfig对象返回

总结

总结下，上面就是创建型模式的单例，工厂，建造模式，当然创建型模式还有原型模式，但是原型模式并不常用，在java里几乎不使用，反而是在js中比较常见，因此在这里就不介绍了，文章需要各位理解活学活用，如果文章写的某些地方不对，望各位大佬评论指正