Spring中常用设计模式简介

MrBetter2024-04-18 10:03

1. 单例模式

单例模式是一种创建型设计模式 ，单例模式确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。例如，在应用程序中创建数据库连接池、缓存服务、日志管理器等，这些只需要单一实例的组件常采用单例模式实现，以避免资源浪费和状态混乱。

写法：

  • 双重检查锁+volatile懒汉式
Java 复制代码 
public class Singleton {
    // 使用 volatile 关键字确保当 uniqueInstance 被初始化成 Singleton 实例时，
    // 多个线程可以正确处理 uniqueInstance 对象的可见性
    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    // 构造函数私有化，防止外部直接实例化
    private Singleton() {}

    // 提供一个全局可访问的静态方法，返回唯一的 Singleton 实例
    public static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) { // 第一次检查：如果实例未创建
            synchronized (Singleton.class) { // 加锁
                if (uniqueInstance == null) { // 第二次检查：在同步块内再次检查
                    uniqueInstance = new Singleton(); // 创建唯一实例
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}
  • 静态内部类懒汉式
Java 复制代码 
public class Singleton {
    // 私有构造函数，防止外部直接实例化
    private Singleton() {}

    // 定义一个静态内部类，该类仅在首次访问时被加载，且只会加载一次
    private static class SingletonHolder {
        // 静态内部类中创建Singleton的唯一实例
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 提供一个全局可访问的静态方法，返回唯一的Singleton实例
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE; // 直接返回静态内部类中已创建的实例
    }
}

例子： Spring Bean的单例模式。对于单例Bean，Spring会确保只创建一次实例，并将其缓存起来。这通常通过一个内部Map（如DefaultSingletonBeanRegistry的singletonObjects）来实现。对于后续的相同Bean请求，Spring容器直接从缓存中获取已创建的单例实例返回，无需再次创建

2. 工厂模式

工厂模式是一种创建型设计模式 ，工厂模式提供了一种创建对象的封装机制，隐藏对象的具体创建过程，使用者只需关注所需产品的接口。例如，在数据库连接场景中，我们可以创建一个ConnectionFactory，根据配置信息返回MySQLConnection或OracleConnection，无需用户关心底层连接细节。

例子：

Spring框架的源码中广泛采用了工厂模式，无论是基础的BeanFactory接口，还是更具体的实现类如DefaultListableBeanFactory，都是工厂模式在Spring框架中的具体体现。通过提供getBean方法，让用户不用关心具体细节就能得到Bean对象，这极大地简化了对象的创建和管理，实现了依赖的解耦和配置的集中化。

3. 工厂方法模式

工厂方法模式是一种创建型设计模式 ，是工厂模式的一种变体，抽象工厂（接口或抽象类）提供创建某一类对象的方法，对应的实际创建逻辑推迟到具体工厂（实现类）中。 例如，不同类型的图形（如圆形、矩形）可以由各自的图形工厂类生成，客户端仅调用抽象工厂的创建方法，由子类决定具体创建哪种图形对象。

例子：

BeanFactory和ApplicationContext接口两个接口就像工厂方法模式中的抽象工厂，提供了创建Bean的通用接口，它们的实现类（如DefaultListableBeanFactory、XmlBeanFactory、AnnotationConfigApplicationContext等）相当于具体工厂，在创建Bean时遵循了工厂方法模式，根据配置信息（如XML配置文件、注解配置等）来决定创建哪些Bean以及如何创建。

4. 抽象工厂模式

抽象工厂模式是一种创建型设计模式 ,是工厂方法模式的一种变体，与工厂方法模式思想类似，工厂方法模式关注于创建单一产品族的不同产品，抽象工厂模式关注于创建多个产品族的整套产品。例如，操作系统主题包中，一个抽象工厂可以提供创建窗口、按钮、菜单等一系列风格一致的UI组件，客户端通过选择不同的具体工厂（如Windows主题工厂、Mac主题工厂）来获得整套风格的组件。

例子：

JDBC。JDBC（Java Database Connectivity）规范定义了DriverManager类，它负责加载并管理各种数据库驱动。当需要连接数据库时，开发人员调用DriverManager.getConnection()方法，传入数据库URL和凭据。DriverManager会根据URL识别所需的驱动类型，通过驱动工厂（即实现了java.sql.Driver接口的类）创建与特定数据库系统的连接对象。此外，通过连接对象可以获取到Statement、PreparedStatement、ResultSet等对象，这些对象也是由驱动工厂提供的，形成了一个与特定数据库系统相关的对象集合。

5. 建造者模式

建造者模式是一种创建型设计模式 。建造者模式将复杂对象的构建与表示分离，使得相同的构建过程可以创建不同的表示。例如，构建复杂的订单对象时，可以使用Builder类逐步添加商品、设置收货地址、选择支付方式等，最后得到完整订单。

例子：

  1. 在Spring的IoC容器中，BeanDefinitionBuilder类被用来构建BeanDefinition对象 ，这是描述Bean配置信息的一个复杂数据结构。通过BeanDefinitionBuilder，开发者可以逐步设置Bean的各种属性、构造函数参数、依赖项等，最终得到完整的BeanDefinition，用于注册到Spring容器中。这种构建过程遵循建造者模式，隐藏了BeanDefinition内部的复杂性，提供了清晰、易用的API。
typescript 复制代码 
public final class BeanDefinitionBuilder {

   /**
    * Create a new {@code BeanDefinitionBuilder} used to construct a {@link GenericBeanDefinition}.
    */
   public static BeanDefinitionBuilder genericBeanDefinition() {
      return new BeanDefinitionBuilder(new GenericBeanDefinition());
   }

   /**
    * Create a new {@code BeanDefinitionBuilder} used to construct a {@link GenericBeanDefinition}.
    * @param beanClassName the class name for the bean that the definition is being created for
    */
   public static BeanDefinitionBuilder genericBeanDefinition(String beanClassName) {
      BeanDefinitionBuilder builder = new BeanDefinitionBuilder(new GenericBeanDefinition());
      builder.beanDefinition.setBeanClassName(beanClassName);
      return builder;
   }
......
......
......
}
  1. Configuration对象的构建 : MyBatis的核心配置对象Configuration包含了数据库连接信息、映射器、类型处理器、插件等各种复杂的配置细节。由于配置信息的多样性与复杂性，直接通过一个构造函数来初始化Configuration对象是不切实际的。因此，MyBatis使用了XMLConfigBuilder（解析XML配置文件）和SqlSessionFactoryBuilder（进一步处理配置信息并创建SqlSessionFactory）等类作为构建器，它们按照一定的步骤逐步构建并填充Configuration对象，实现了建造者模式。
Java 复制代码 
SqlSessionFactoryBuilder builder = new SqlSessionFactoryBuilder();
SqlSessionFactory factory = builder.build(reader);

6. 适配器模式

适配器模式是一种行为型设计模式。适配器模式将一个类的接口转换为客户期望的另一个接口，使得原本不兼容的类可以一起工作。例如，将第三方库的API封装为项目中统一的接口，或者在不同数据源之间进行数据格式转换时，都可以应用适配器模式。

例子：

  1. Advice适配 ： Spring AOP提供了若干个内置的Advice适配器类，如MethodBeforeAdviceAdapter、AfterReturningAdviceAdapter、ThrowsAdviceAdapter等，它们分别实现了对不同类型的Advice（如前置通知、后置通知、异常通知等）的适配，使得这些Advice能够被Spring AOP代理机制正确识别和应用。
Java 复制代码 
public DefaultAdvisorAdapterRegistry() {
   registerAdvisorAdapter(new MethodBeforeAdviceAdapter());
   registerAdvisorAdapter(new AfterReturningAdviceAdapter());
   registerAdvisorAdapter(new ThrowsAdviceAdapter());
}
Java 复制代码 
class MethodBeforeAdviceAdapter implements AdvisorAdapter, Serializable {

   @Override
   public boolean supportsAdvice(Advice advice) {
      return (advice instanceof MethodBeforeAdvice);
   }

   @Override
   public MethodInterceptor getInterceptor(Advisor advisor) {
      MethodBeforeAdvice advice = (MethodBeforeAdvice) advisor.getAdvice();
      return new MethodBeforeAdviceInterceptor(advice);
   }

}
Java 复制代码 
class AfterReturningAdviceAdapter implements AdvisorAdapter, Serializable {

   @Override
   public boolean supportsAdvice(Advice advice) {
      return (advice instanceof AfterReturningAdvice);
   }

   @Override
   public MethodInterceptor getInterceptor(Advisor advisor) {
      AfterReturningAdvice advice = (AfterReturningAdvice) advisor.getAdvice();
      return new AfterReturningAdviceInterceptor(advice);
   }

}
Java 复制代码 
class ThrowsAdviceAdapter implements AdvisorAdapter, Serializable {

   @Override
   public boolean supportsAdvice(Advice advice) {
      return (advice instanceof ThrowsAdvice);
   }

   @Override
   public MethodInterceptor getInterceptor(Advisor advisor) {
      return new ThrowsAdviceInterceptor(advisor.getAdvice());
   }

}
  1. MVC（模型-视图-控制器） : Spring MVC中的HandlerAdapter接口及其实现类构成了适配器模式的一个典型应用场景。HandlerAdapter的作用是将各种符合特定约定的处理器（如Controller、HttpRequestHandler等）适配到Spring MVC的请求处理流程中。这样，用户可以编写符合自己习惯的控制器类，而Spring MVC通过选择合适的HandlerAdapter来调用这些控制器的方法，处理HTTP请求并返回响应，无需控制器直接与MVC框架的内部细节耦合。
  2. 日志模块 : MyBatis的日志系统是适配器模式的一个经典示例。MyBatis并未直接实现自己的日志功能，而是提供了一个抽象的Log接口，然后针对市面上流行的日志框架（如SLF4J、Log4j、Log4j2、JUL、JCL等）编写了对应的适配器类，如Slf4jImpl、Log4jImpl等，这些类实现了Log接口并将日志操作委托给相应的日志框架。这样，无论用户项目中使用何种日志库，MyBatis都能通过适配器找到合适的日志实现进行日志记录，保持了与外部日志系统的松耦合。

7. 装饰器模式

装饰器模式是一种行为型设计模式 。装饰器模式即不改变原始组件的职责，而是通过动态地给组件添加"装饰"以增强其功能。在不改变原有类的情况下，通过组合而非继承的方式为对象扩展功能。如在咖啡订购系统中，通过添加各种调料（如糖、奶、巧克力酱）装饰基础咖啡，实现多种口味咖啡的组合。

例子：

  1. 装饰器模式在MyBatis的缓存机制中有典型应用 。MyBatis允许用户配置启用或禁用缓存，并且支持不同的缓存实现，例如一级缓存和二级缓存。当启用缓存时，MyBatis会使用装饰器模式来动态地增强Executor对象的能力，具体做法是在执行器之上添加一层缓存装饰器，如CachingExecutor。原始的Executor负责处理SQL执行的基本逻辑，而CachingExecutor作为装饰器在其基础上增加了缓存读写的功能 。这样做的好处在于，无论何时需要切换缓存策略或者禁用缓存，都不需要修改Executor的原有代码，而是通过添加或移除装饰器来完成。

  2. HTTP请求的过滤器链（如Servlet规范中的Filter）、拦截器链（如Spring MVC中的Interceptor）就是装饰器模式在实际应用中的经典示例。

    • 在Servlet规范中，Filter接口允许开发者编写自定义的过滤器，它们可以在HTTP请求到达Servlet之前以及离开Servlet之后执行某些操作，比如身份验证、日志记录、字符编码转换等。多个Filter可以串联起来形成一个过滤器链，每一个Filter都在原始请求处理流程的基础上添加了一层额外的功能，这正是装饰器模式的体现。

    • 在Spring MVC中，Interceptor（拦截器）也可以在控制器方法执行前后添加额外的操作，如统一异常处理、性能监控、权限验证等。尽管拦截器在技术实现上可能借助了AOP（面向切面编程）的思想，但从设计模式的角度看，它仍然符合装饰器模式的特点

8. 代理模式

代理模式是一种行为型设计模式。代理模式为对象提供一个代理对象，以便控制对原对象的访问。例如，远程代理用于网络通信中为本地对象提供远程对象的访问接口；保护代理可以控制对敏感对象的访问权限；缓存代理可以缓存目标对象的昂贵计算结果。

例子：

  1. Spring AOP（面向切面编程） ： Spring AOP利用代理模式来实现诸如事务管理、日志记录、性能监控等功能。Spring通过创建代理对象（JDK动态代理或CGLIB代理）来包裹目标对象，当客户端调用代理对象的方法时，会触发代理方法，代理方法会在目标方法执行前后插入相应的通知（Advice），从而实现切面逻辑的织入。

    • JDK动态代理 ：如果目标类实现了至少一个接口，Spring会使用JDK的java.lang.reflect.Proxy类来创建一个代理对象，代理对象的方法调用会被转发至InvocationHandler实现类处理，该实现类内嵌了切面逻辑。
    • CGLIB代理：对于没有实现接口的目标类，Spring会选择CGLIB库来生成一个继承自目标类的子类代理，子类重写了父类方法并在方法内部加入切面逻辑。

  2. Spring容器对Bean的生命周期管理 ： Spring IoC容器在管理Bean的生命周期时，也会使用代理来增强Bean的功能，比如通过后置处理器（PostProcessor）对Bean进行进一步的设置和初始化。

9. 观察者模式

观察者模式定义了一种一对多的依赖关系，当主题对象状态变化时，所有依赖它的观察者都会收到通知并自动更新。例如，在实时股票报价系统中，多个订阅者（观察者）可以注册到某个股票（主题），当股票价格变动时，系统自动通知所有订阅者更新显示。

例子：

Spring框架中确实使用了观察者模式来实现其事件驱动模型，具体体现在ApplicationEvent和ApplicationListener接口的设计上。下面是一个简化的描述：

  1. org.springframework.context.ApplicationEvent 是Spring事件类的基类，代表了应用程序中发生的某种事件。

    Java 复制代码 
    public class ApplicationEvent extends EventObject {
    // 构造函数和其他相关方法...
}

  2. org.springframework.context.ApplicationListener 是事件监听器接口，任何实现了此接口的类都可以监听特定类型的ApplicationEvent。

    Java 复制代码 
    @FunctionalInterface
public interface ApplicationListener<T extends ApplicationEvent> {
    void onApplicationEvent(T event);
}

  3. 当某个事件发生时，例如在一个ApplicationContext上下文中，可以通过调用publishEvent()方法发布事件，所有注册过的监听该事件类型的ApplicationListener将会被通知并执行相应的方法。

    Java 复制代码 
    1// 在ApplicationContext中
2public void publishEvent(ApplicationEvent event) {
3    for (ApplicationListener<?> listener : getApplicationListeners()) {
4        if (listener instanceof SmartApplicationListener) {
5            SmartApplicationListener smartListener = (SmartApplicationListener) listener;
6            if (smartListener.supportsEventType(event.getClass())) {
7                smartListener.onApplicationEvent(event);
8            }
9        } else {
10            // Legacy listener, assuming it supports all events
11            listener.onApplicationEvent(event);
12        }
13    }
14}

10. 策略模式

策略模式是一种行为型设计模式。策略模式定义了一系列算法，并将每个算法封装为一个单独的类，使它们可以互换。客户端根据需求选择合适的策略。例如，在排序算法中，可以定义快速排序、归并排序、冒泡排序等策略，根据数据特性和性能要求在运行时动态选择。

例子：

在Spring数据源管理上使用了策略模式，允许用户根据不同的配置选择不同的数据源策略。例如，org.springframework.jdbc.datasource.lookup.AbstractRoutingDataSource 类就利用了策略模式，可以根据运行时条件动态切换数据源。

以下是一个抽象类的简化示例，展示了如何定义一个数据源路由策略接口：

Java 复制代码 
// 抽象类AbstractRoutingDataSource部分代码简化
public abstract class AbstractRoutingDataSource extends AbstractDataSource implements InitializingBean {

    // ...其他代码...

    private Object determineCurrentLookupKey() {
        // 这里通常会委托给策略决定返回哪个数据源的键值
    }

    public Connection getConnection() throws SQLException {
        DataSource dataSource = determineTargetDataSource();
        // 根据策略获取实际的数据源并连接
        return dataSource.getConnection();
    }

    protected DataSource determineTargetDataSource() {
        // 这个方法可以由子类实现具体的策略逻辑
    }

    // ...其他代码...
}

在实际应用中，开发者需要重写 determineTargetDataSource 方法来实现数据源选择的策略。

11. 责任链模式

责任链模式是一种行为型设计模式，它将请求的发送者与接收者解耦，通过构建一系列处理对象形成一条链。每个处理对象（链中的节点）都包含对下一个节点的引用，并负责在接收到请求时决定是否对其进行处理，或者将请求传递给链中的下一个节点。这种模式允许请求沿着链路传递，直到找到能够处理它的节点为止。例如过滤器/拦截器链：Web应用中对HTTP请求进行逐级预处理和后处理。

例子：

在Spring MVC中，过滤器链（Filter Chain）和拦截器链（Interceptor Chain）使用了责任链模式。

12. 模板方法模式

模板方法模式是一种行为型设计模式，它在一个抽象类中定义了算法的骨架（模板方法），并将一些步骤延迟到子类中实现。模板方法封装了算法的整体结构，而子类可以通过继承这个抽象类并覆盖特定的步骤（方法）来实现对算法部分环节的个性化定制，而不改变算法的整体逻辑。例如应用框架初始化流程：如框架类定义启动、配置、初始化等步骤，具体实现由子类完成。

例子：

Springz的JDBC中JdbcTemplate 类就是一个模板方法模式的典型应用，它定义了一系列执行数据库操作的方法，如查询、更新、批处理等，这些方法内部调用抽象方法来完成具体的操作，而子类可以重写这些抽象方法来实现数据库驱动相关的逻辑。

Java 复制代码 
public abstract class JdbcTemplate extends JdbcAccessor implements JdbcOperations {
    // ...

    /**
     * Execute a query given static SQL.
     * <p>The results will be mapped to an ArrayList (one entry per row) of HashMaps
     * (each representing a row, keyed by column name).
     * @param sql the SQL query to execute
     * @return a List that contains a Map per row
     */
    public List<Map<String, Object>> queryForList(String sql) throws DataAccessException {
        return query(sql, this::extractData, ResultSet::next);
    }

    // 抽象方法，留给子类实现
    protected abstract <T> T doExecute(JdbcOperationsCallback<T> action) throws DataAccessException;

    // 内部使用的回调方法，由模板方法调用
    private <T> T query(String sql, RowMapper<T> rowMapper, ResultSetExtractor<Boolean> rowCallbackHandler) {
        return doExecute((ConnectionCallback<T>) conn -> {
            PreparedStatement ps = getPreparedStatement(conn, sql);
            try {
                return getJdbcOperations().query(ps, rowMapper, rowCallbackHandler);
            }
            finally {
                closeStatement(ps);
            }
        });
    }

    // 子类可以覆盖这个方法来改变提取数据的行为
    protected <T> T extractData(ResultSet rs) throws SQLException, DataAccessException {
        throw new UnsupportedOperationException("Implementations must provide an implementation for this method");
    }

    // ...
}
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