一文速通23种设计模式——单例模式、工厂模式、建造者模式、原型模式、代理模式、装饰器模式、组合模式、组合模式、桥接模式、观察者模式、策略模式……

红雨随心翻作浪2024-06-03 20:10

一文速通23种设计模式

写在前面

本文基于结城浩所著《图解设计模式》，其中所使用代码皆为Java版本。

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全文15205字，全部读完需要约20分钟。

目录

第一部分 适应设计模式

迭代器模式 (Iterator)

Iterator模式用于在数据集合中按照顺序遍历集合。Iterate有反复做某件事的意思，Iterator中文即为"迭代器"。

在迭代器模式中，有四个角色：

  1. Iterator 迭代器
  2. ConcreteIterator 迭代器实现
  3. Aggregate 集合
  4. ConcreteAggregate 集合实现

代码实现

以下为一个例子：

集合

java 复制代码 
public interface Aggregate {
	public abstract Iterator iterator();
}

迭代器

java 复制代码 
public interface Iterator {
	public abstract boolean hasNext();
	public abstract Object next();
}

集合实现

java 复制代码 
public class ConcreteAggregate implements Aggregate {
	private ArrayList<Object> arrayList;

	public ConcreteAggregate() {  
        arrayList = new ArrayList<>();
    }  

	//对集合的操作等

	public Iterator iterator() {
		return new ConcreteAggregate(this);
	}
}

迭代器实现

java 复制代码 
public class ConcreteIterator {
	private ConcreteAggregate concreteAggregate;
	private int index;

	public ConcreteIterator(ConcreteAggregate concreteAggregate) {
		this.concreteAggregate = concreteAggregate;
		this.index = 0;
	}

	public boolean hasNext() {
		if(index < concreteAggregate.getLength()) {
			return true;
		}
		return false;
	}

	public Object next() {
		index++;
		return concreteAggregate.getAtIndex(index);
	}
}

在这里面，我们创造了一个迭代器和集合接口，并用具体的类实现它们。在集合中，保存了一个迭代器的成员变量，而需要遍历集合元素时(next和hasNext方法)，都交给迭代器实现。

为什么这么做？

这样做的目的是，Iterator可以把遍历和实现分开，也就是把遍历交给迭代器实现。这样，我们可以随意变更集合里面装载的是什么元素，都不需要变更迭代器。

设计模式的作用，就是帮助我们编写可复用的类，即将类实现为"组件"。当一个组件改变时，其它组件不会产生什么影响。在之后的设计模式中我们会反复地实现这一目的。

迭代器模式其实也可以完全不使用接口，而只使用具体的类来实现。但是这样会造成类之间的强耦合，不利于我们将其组件化。

适配器模式 (Adapter)

在编程时，经常出现现有程序无法使用，而需要做适当变换才能使用的情况。这种填补"现有程序"和"所需程序"间差异的设计模式就是迭代器模式。

迭代器模式中的角色有以下几种：

  1. Target 对象
  2. Client 请求者
  3. Adaptee 被适配者
  4. Adapter 适配者

适配器的实现方式有两种。

第一种是使用继承，即，Target为接口，里面有Client需要的方法；Adapter继承Adaptee, 拿到Adaptee里面的所需方法；同时，Adapter继承了Target接口。通过Adapter, Target就可以实现调取到Adaptee里面的方法。

第二种方式是使用委托。这次Adapter是继承Target而非Adaptee。那么Adapter要如何拿到Adaptee里面的方法呢？答案是在Adapter里面设置一个Adaptee成员变量，通过该成员变量来调用方法。

由于较为简单，这里就不给出实例代码了。

为什么使用Adapter

如果我们需要一个方法，为什么不直接在程序中使用，而非要使用adapter呢？

这是因为，在实际开发中，Adaptee通常已经经过了长期的测试，能确保出现问题的概率较低。这样一来，当发生bug时，我们就可以基本确定问题是出在新编写的程序中，而不是发生在Adaptee里面。

此外，如果是长期开发，那么使用Adapter可以实现，不论需要新增加什么功能，都可以通过Adapter适配，而不需要去修改现有代码，避免了与之相关的代码出问题。

第二部分 交给子类

模板方法模式 (Template Method)

在模板方法模式中，父类里面没有方法的具体实现，只有关于如何调用这些方法；方法的实现放在子类中。通过这种办法可以实现让不同对象做出相同行为。

打个比方，有一块用来印刷书籍的刻字版；上面刻好了字，如果涂上蓝墨水，那印出来的书就是蓝色的；使用红墨水，印出来的书就是红色的。

模板方法模式中的角色有以下几种：

  1. AbstractClass 抽象类
  2. ConcreteClass 具体类

注意这里的抽象类不是Java语法中的抽象类。在这里的抽象类中，除了有模板方法(即定义子类行为模板的方法)，还有子类所有方法的抽象方法。下面是一个父类的例子：

java 复制代码 
public abstract class Parent {
	public abstract void open(); //这三个是子类的抽象方法
	public abstract void print();
	public abstract void close();
 
	public void display() { 	//这个是行为模板
		open();
		for(int i = 0; i < 5; i++ ) {
			print();
		}
		close();
	}
}

为什么这样做？

这样做的优点在于，父类中已经写好了算法，因此子类无需再次编写。

另外，当有多个子实现类时，如果发现有bug，只需要修改父类即可。这在分散的情况下是无法实现的。

工厂方法模式 (Factory Method)

这个方法与上一个模板方法模式很像，区别在于，该模式是用来生成实例的。

用模板方法模式来构建生成实例的工厂，这就是工厂方法模式。

在工厂方法模式中，父类决定实例生成方式，但不决定要生成的具体的类；具体处理全部交给子类。

在工厂方法模式中，有以下几个角色：

  1. 产品 Product
  2. 创建者 Creator
  3. 具体产品 ConcreteProduct
  4. 具体创建者 ConcreteCreator

Creator是一个抽象类，里面有create方法(用于定义生成实例的流程)，以及工厂方法。

Product也是抽象类，里面定义了具体产品的抽象方法。

ConcreteCreator继承Creator, 拿到了生成实例的流程以及工厂方法，通过实现这些方法，就可以用create方法生成实例。另外，具体生成哪一种实例ConcreteProduct, 也是在这里面定义的。

ConcreteProduct则继承Product, 这里面没有什么特殊的。

为什么要这么做

这样做的妙处就在于，如果我们想要用于生成其它的实例产品，只需要在写一个具体实现类就可以，而创建者的代码不需要经过任何改动。

第三部分 生成实例

单例模式 (Singleton)

单例模式是面试的重点。有时候，我们希望一个类只会生成一次，例如表示本台计算机的类、表示系统设置的类、表示当前视窗的类等等。此时就需要用到单例模式。

单例模式实现的要点是，确保只会执行一次new MyClass()

在单例模式中，只有一个角色，单例 Singleton, 实例代码如下：

java 复制代码 
public class Singleton {
	private static Singleton singleton = new Singleton();

	private Singleton() {
		//生成单例的代码
	}

	public static Singleton getInstance() {
		return singleton;
	}
}

在这里，由于构造函数被设置为私有，因此外界无论如何也不会生成Singleton实例。唯一一次生成实例，是类加载的时候执行static代码，得到了一个Singleton. 之后想在程序里获取，只能通过getInstance()得到。

不过这个方法不是完全的单例，当多线程同时调用getInstance()方法时，是有可能生成多个单例的。要实现完全的单例，需要在getInstance()前面加上synchronized关键字。

java 复制代码 
public class Singleton {
	private static Singleton singleton = new Singleton();

	private Singleton() {
		//生成单例的代码
	}

	public static synchronized Singleton getInstance() {
		if(null == singleton) {
			singleton = new Singleton();
		}
		return singleton;
	}
}

原型模式 (Prototype)

通常，当我们需要一个实例时，会通过new关键字来生成。但是在一些情况下，我们会希望能通过现有的实例来生成新的实例，例如以下几种情况：

  1. 对象很多，如果分别作为一个类，就需要编写许多类文件；
  2. 生成过程复杂，很难通过类生成，例如图像绘画软件中用户已经画好的图案；
  3. 想要解耦框架与生成的实例

原型模式登场的角色如下：

  1. 原型Prototype
  2. 具体原型ConcretePrototype
  3. 使用者Client

Prototype用于定义复制实例的方法；ConcretePrototype则负责实现复制实例的方法。Client负责使用该方法生成实例。

具体使用流程可以参考以下使用方法:

java 复制代码 
public class Main {
	public static void main() {
		Client client = new Client();
		ConcretePrototype proto1 = new ConcretePrototype("-");
		ConcretePrototype proto2 = new ConcretePrototype("+");
		client.regist("strong message",proto1);
		client.regist("warn message",proto2);

		Product p1 = client.create("strong message");
		p1.use("hello,world");
		Product p2 = client.create("warn message");
		p2.use("hello,world");
	}
}

在client中使用了一个HashMap来存储键值对，通过名称就可以获取到想要的实例。

在ConcretePrototype中，使用了clone函数，来获取新的实例。

为什么要使用原型

正如我们在上面使用的，只需要一个参数，就可以生成新的原型，而且想要继续添加或者删除也非常简单。如果不使用原型模式，那么每种新的实例都需要创建新的类。另外，这样做因为没有了new关键字，也可以实现框架与实例解耦。

建造者模式 (Builder)

Builder是用来组装复杂实例的。就像建造房子一样，搭建框架，然后自下而上一层一层搭建起来。

Builder模式有以下登场角色：

  1. 建造者 Builder
  2. 具体建造者 ConcreteBuilder
  3. 监工 Director
  4. 使用者 Client

在这里面，Builder用于定义生成实例的抽象方法；ConcreteBuilder负责实现这些抽象方法，以及返回最终生成的结果的方法。Direct负责使用Builder的方法来生成实例，它负责保证所有类正常工作，并且只调用Builder的方法。

在Builder运行过程中，Client先建立一个ConreteBuilder；再向Director发出请求，Director不断向ConreteBuilder调用生成产品的步骤，直到生成完成，返回给Client.

为什么使用建造者

在建造者模式中，Client并不知道Builder类，它只是向Direct发出一次请求。但是，Client直到调用的是哪个具体的建造者，并将它们发给Director. 这样，Client就可以按照自己的要求，让Director去负责生产一个结果。

同时，Director也不需要关注Client到底提出了什么要求，只要它们是实现Builder的，遵守了其中的规范就可以。

有了这种"可替换性"，组件才有了价值。

抽象工厂模式 (Abstract Factory)

一听这个名字，好像有些不明所以。抽象的工厂能有什么用呢？

类似于抽象方法，我们不关心方法具体实现，只关心方法的参数和返回值；在抽象工厂中，我们不关心零件的具体实现，只关心零件有哪些接口(API)，怎么利用这些API把零件组装成产品。

抽象工厂模式有以下几个角色：

  1. 抽象产品 AbstractProduct
  2. 抽象工厂 AbstractFactory
  3. 委托者 Client
  4. 具体产品 ConcreteProduct
  5. 具体工厂 ConcreteFactory

抽象产品负责定义抽象工厂生成的抽象零件和产品的接口(API)；抽象工厂负责定义生产抽象产品的接口(API)；具体产品负责实现抽象产品的接口(API)；具体工厂实现抽象工厂的接口(API); 委托者对上述一无所知，它仅仅是调用抽象工厂给出的接口来工作。

原书给出了非常多的代码，给出了很多零件，出于篇幅这里就不全部展现了。

为什么使用抽象工厂

使用抽象工厂的话，增加具体的工厂非常容易，因为需要编写哪些类和实现哪些方法都非常清楚。不过，如果想要增加零件，就需要修改所有具体工厂，此时将非常麻烦。

第四部分 分开考虑

桥接模式 (Bridge)

Bridge是桥的意思，在这里指的是，用桥梁把类的功能层次和类的实现层次连接起来。

类的功能层次指的是，为了不断实现更多的功能，将类一层一层地不断继承，并在每次继承添加新的功能。

类的实现层次则是指，定义父类和子类，父类定义接口，子类实现接口。

这种区别会使得编程变得复杂，我们不清楚应该是在哪一个层次结构中去增加子类。而如果把两种层次拆成独立结构，再用桥接模式连接起来，那么这个问题就解决了。

桥接模式有以下登场角色：

  1. 抽象化 Abstraction
  2. 改善后的抽象化 RefinedAbstraction
  3. 实现者 Implementor
  4. 具体实现者 ConcreteImplementor

抽象是功能层次的顶层，里面有一个实现者的成员变量(这里使用了委托)；改善后的抽象化则是功能层次中添加功能的子类。

实现者是实现层次的顶层，里面有抽象方法接口；再由具体实现者去实现其中的接口。

使用实例如下：

java 复制代码 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Abstraction d1 = new Abstraction(new ConcreteImplementor("Hello, China."));
        Abstraction d2 = new RefinedAbstraction(new ConcreteImplementor("Hello, World."));
        RefinedAbstraction d3 = new RefinedAbstraction(new ConcreteImplementor("Hello, Universe."));
        d1.display();
        d2.display();
        d3.display();
        d3.multiDisplay(5); //RefinedAbstraction的新功能
    }
}

为什么要使用桥接模式

将两个层次分开后，将共容易实现扩展。要增加新功能时，只需要在功能实现一侧增加类，随后所有的实现都可以使用。

策略模式 (Strategy)

这个模式时为了算法而服务的。Strategy的意思是"策略"。针对不同的问题，需要不同的算法，册罗模式就可以运行我们只对算法进行修改，而其它的部分不需要变动。

策略模式有以下登场角色：

  1. 策略 Strategy
  2. 具体的策略 ConcreteStrategy
  3. 上下文 Context

策略复杂定义接口，保证所有具体策略都可以嵌入上下文中；具体策略则是实现接口，编写具体的算法；上下文负责使用策略，调用具体的策略去实现需求。

为什么要使用策略

虽然这样一看，程序好像变复杂了，但是对于实际场景里，算法可能会异常复杂，有时候升值需要交给专门的人处理。由于使用了委托的模式来使用策略，使得策略与上下文解耦，可以很方便的替换或者复用算法。

另外，由于委托降低了耦合度，我们可以实现根据环境自动切换算法，如系统内存低时就切换占用内存少且速度慢的算法，系统内存高时就切换内存呢占用高且快速的算法。这在强耦合程序中是很难实现的。

第五部分 一致性

合成模式 (Composite)

在操文件系统中，文件夹里面既可以放文件，又可以放文件夹。在这个系统里，我们把它们当作同一种对象来看待。

Composite模式就是用于创造这种结构的模式，它能够是容器与内容具有一致性，从而创造出递归的结构。

在合成模式中，有以下几种角色：

  1. 组件 Component
  2. 叶子节点 Leaf
  3. 组合节点 Composite
  4. 客户端 Client

Component定义了Composite和Leaf的共同点，使得我们可以将其视作同一物体操作；Composite是容器，继承自Component，类似文件夹；Leaf是内容，也继承自Component，类似文件。

为什么要使用合成模式？

合成模式能够使得客户端可以一致地处理单个对象和组合对象，这样就简化了客户端的代码，提高了代码的可复用性和可维护性。同时，合成模式也使得我们能够更加灵活地组织对象之间的关系，通过树形结构来表示复杂的层次关系，从而更好地模拟现实世界中的部分-整体结构。

装饰器模式 (Decorator)

假设有一块蛋糕胚，往上涂上奶油，那就是奶油蛋糕；再加上巧克力，那就是巧克力奶油蛋糕，以此类推。

这种不断往对象添加装饰的设计模式，就叫做装饰器模式。

装饰器模式中有如下角色：

  1. 组件 Component
  2. 具体组件 ConcreteComponent
  3. 装饰物 Decorator
  4. 具体装饰物 ConcreteDecorator

Component是核心角色，里面定义有抽象方法，类似于蛋糕胚的角色；ConcreteComponent继承了Component，属于具体的蛋糕；Decoretor也继承自Component，同时内部保存有一个Component成员变量；ConcreteDecorator则继承自Decorator，其实现了Component里面的接口，同时由于持有Component，因此可以对其进行装饰。

为什么使用装饰器？

在装饰器模式中，装饰物和组件都持有一样的接口，这就使得，即使使用了装饰器，原来对组件进行的操作，现在一样可以进行，就好像装饰器"透明"了一样。由于这种一致性，我们也可以实现Composite模式一样的递归结构。

另外，由于这里也使用了委托方法，削弱了耦合关系，所有可以实现动态地增加功能。以及，我们只需要添加装饰器，就可以自由地添加新功能。

第六部分 访问数据结构

访问者模式 (Visitor)

访问者模式与第一章的迭代器模式有一些相似。在遍历数据结构时，我们会想要对其进行处理；而在访问者模式里，数据结构与遍历被分离开来。这样，我们想要增加新的处理方法时，就可以只修改访问者，而尽量不修改数据结构。

在访问者模式中，有以下角色：

  1. 访问者 Visitor
  2. 具体访问者 ConcreteVisitor
  3. 元素 Element
  4. 具体元素 ConcrementElement
  5. 对象结构 ObjectStructure

访问者负责声明访问元素的visit方法接口；具体访问者继承自访问者，为每一个不同的具体元素实现visit方法(根据具体元素的参数不同实现重载)；

元素则是访问者的访问对象，其中声明了用于接收访问者的accept方法；具体元素实现了accept方法，在参数中接收到访问者角色；对象结构则是元素角色的集合。

由于具体元素接收到了visitor实例，因此可以通过如下语句实现被访问：

java 复制代码 
public void accept(Visitor v) {
	v.visit(this);
}

而Visit则会根据此处this传入的对象不同，调用对应的重载函数，实现访问。

java 复制代码 
public void visit(File file) {
	//foo
}

public void visit(Directory directory) {
	//foo
}

为什么要弄得那么复杂

正如前文所说，访问者模式的目的就是把数据结构和访问分离开来。通过这样做，提高了不同元素作为不同组件的独立性，在具体元素中只需要实现accept函数就可以被访问到。如果我们把visit方法定义到具体元素里，那么如果想要增加一些功能时，就不得不修改所有的具体元素。

责任链模式 (Chain of Responsibility)

责任链模式，即将多个对象串在一起，按照责任链上的顺序，一个一个地找出应该由谁来负责处理。

责任链模式的登场角色有：

  1. 处理者 Handler
  2. 具体处理者 ConcreteHandler
  3. 请求者 Client
    处理者定义了实现请求者需求的通用接口，以及next方法，如果当前具体者无法实现需求就转发到下一个；具体处理者继承自处理者，按照接口实现处理操作的函数；请求者向处理者发出处理请求。

为什么使用责任链

责任链的有点在于其弱化了发出请求的人与处理请求的人的关系。如果不使用该模式，那么就意味着有一个统领性的角色要负责决定把任务发给谁，或者干脆由它完成所有任务。在这种情况下，将降低其作为组件的独立性。

另外，这样做可以实现动态改变责任链；也可以让每个具体处理者专注与自己的工作。

当然，如果十分确定任务需要交给谁，或者程序追求更快的处理速度，那么还是不要使用责任链为好。

第七部分 简单化

外观模式 (Facade)

随着程序的不断开发，其会变得越来越臃肿、越来越难以理解。有不少应用和网站的页面就在朝着这个方向发展。

与其关注哪些庞大的类之间错综复杂的关系，我们不如建立一个窗口，这样只需要对该窗口发出请求即可。这就是外观模式。

外观模式有以下角色：

  1. 窗口/外观 Facade
  2. 请求者 Client
  3. 系统中的所有其它组件
    由于外观模式更像是一种思想，因此并没有一个统一的编写风格。例如说，SpringBoot把启动web应用的一大堆方法浓缩到了一句
java 复制代码 
SpringApplication.run(Main.class,args);

这也是一种外观模式。

为什么使用外观模式

外观模式的重点是可以让复杂的东西看起来简单，例如说后台工作的类以及它们之间的关系。这里的重点就是接口变少了，全部放在内部处理，我们甚至只需要一句话就可以全部拿来使用。

另外一点就是使得程序与外部的关系弱化了。之所以在SpringCloud中可以如此轻松的部署大量SpringBoot程序，与SpringBoot良好的外观模式设计有很大关系。

仲裁者模式 (Mediator)

想象以下，有一个十名成员组成的开发小组，他们之间常常由于代码风格不同、不写注释等原因大打出手。

在这种情况下，就需要有一个中立的仲裁者出来下达指令。随后，团队成员之间将不再交流，而是统一报告给仲裁者，再由仲裁者向所有人下达指示。这就是仲裁者模式。

在仲裁者模式中有以下登场角色：

  1. 仲裁者/中介者 Mediator
  2. 具体仲裁者 ConcreteMediator
  3. 同事 Colleague
  4. 具体同事 ConcreteColleague

仲裁者负责定义与同事间通信并做出决定的接口；具体仲裁者实现这些接口，其中储存了所有具体同事作为成员变量；

同事则负责定义与仲裁者通信的接口，在其中储存有仲裁者成员变量；具体同事负责实现通信接口。

为什么使用仲裁者模式

在这种模式下，具体仲裁者由于需要处理请求并发送通知，代码会变得比较复杂。但这样集中的好处在于，把所有逻辑集中，方便了代码的统一修改，如果不这样做，那么修改bug或者是增加功能都会变得复杂，尤其是当具体同事越来越多的时候，其中的关系网络将变得异常难以处理。

另外，这样做也有助于实现具体同事的复用，只需要修改具体仲裁者的成员变量即可。

第八部分 管理状态

观察者模式 (Observer)

在观察者模式中，当被观察对象的状态发生变化时，会通知给观察者。观察者模式使用与根据对象状态进行相应处理的场景。

观察者模式中的登场角色有以下几种：

  1. 观察对象 Subject
  2. 具体观察对象 ConcreteSubject
  3. 观察者 Observer
  4. 具体观察者 ConcreteObserver

观察对象定义了注册观察者、删除观察者和提醒观察者的方法，以及得到被观察对象状态的接口，内部保存有观察者的成员变量；具体观察对象继承自观察对象，实现了得到对象状态的办法getStatus。

观察者负责接收来自观察对象发来的状态变化通知，并声明了update方法接口；具体观察者实现了update方法来获取最新状态。

下面是观察对象的示例：

java 复制代码 
public abstract class NumberGenerator {
    private ArrayList observers = new ArrayList();        // 保存Observer们
    public void addObserver(Observer observer) {    // 注册Observer
        observers.add(observer);
    }
    public void deleteObserver(Observer observer) { // 删除Observer
        observers.remove(observer);
    }
    public void notifyObservers() {               // 向Observer发送通知
        Iterator it = observers.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            Observer o = (Observer)it.next();
            o.update(this);
        }
    }
}

当具体观察对象发生更新时，就会调用notifyObservers(), 告知所有观察者。

为什么使用观察者模式

这里还是围绕一个要点：使类成为可复用的组件。

具体观察对象并不知道是谁在观察自己，也不需要知道，只需要把消息告诉观察对象即可。而观察者也不需要知道自己在观察谁，它只需要在观察对象那里注册即可。

在本书中已经出现多次这种课替换性的思想：

  1. 利用抽象类和接口从具体类中抽出抽象方法
  2. 将实例作为参数传入类中，或者在类的字段里保存实例，不使用具体类型，而是使用抽象类型和接口。

这样可以让我们轻松实现替换类。

备忘录模式 (Memento)

我们在编写代码时，如果不小心做了删除操作，可以使用ctrl+z来实现撤回。要使用面向对象的方法实现撤销，需亚奥事先保存实例的相关状态信息，并在需要时恢复状态。

通过备忘录模式，就可以实现保存和恢复实例，同时防止对象的封装性遭到破坏。

备忘录模式有如下角色：

  1. 生成者 Originator
  2. 备忘录 Memento
  3. 负责人 Caretaker

生成者负责在状态更新时，生成相应备忘录；如果把之前的备忘录传递给生成者，生成者会把自己恢复到当时的状态。

备忘录会把生成者的内部信息整合在一起，在其内部有两种接口：

  1. 宽接口，里面有关于恢复对象信息的所有方法的集合，但是由于内部信息过多，因此只有生成者能够访问；
  2. 窄接口则是给负责人使用的，只有有限的信息，可以防止信息泄露，防止封装性被破坏。

当负责人想要保存生成者状态时，会通知生成者角色，生成者此时会产生被万股并返回到负责人。负责人会在随后一直保存备忘录，以便在需要时回退。但是由于备忘录只对负责人开放窄接口，所有负责人只能把它当作一个黑盒保存起来。

为什么要分离负责人和生成者

为欸什么不直接在生成者中实现撤销功能，而要加一个备忘录呢？

负责人决定的是何时拍摄快照，合适撤销及保存备忘录；生成者则是负责生成备忘录和恢复状态。这样做是为了拆分任务，此时如果想实现多次撤销、保存现在状态等，就可以不用修改生成者。

状态模式 (State)

在状态模式中，我们将用类来实现状态。这可能有些难以理解，我们通常认为，类是名词，而不是形容词。但是在这里，我们就要介绍状态模式。

我们想来想想，不使用类时，我们会怎么表示状态：

java 复制代码 
使用金库时调用的方法() {
	if (白天) {
		报告使用记录
	} else if (晚上) {
		报告紧急情况
	}
}
警铃响起时调用的方法() {
	报告紧急情况
}
正常通话调用的方法() {
	if (白天) {
		正常通话
	} else if (晚上) {
		留言通话
	}
}

而使用了State模式：

java 复制代码 
表示白天的类 {
	使用金库时调用的方法() {
		报告使用记录
	}
	警铃响起时调用的方法() {
		报告紧急情况
	}
	正常通话调用的方法() {
		正常通话
	}
}

表示晚上的类 {
	使用金库时调用的方法() {

	}
	警铃响起时调用的方法() {
		报告紧急情况
	}
	正常通话调用的方法() {
		留言通话
	}
}

在状态模式里有如下登场角色：

  1. 状态 State
  2. 具体状态 ConcreteState
  3. 上下文 Context

状态里面定义了根据不同状态进行不同处理的接口，接口里面是那些依赖于状态的方法的集合；具体状态继承状体，实现了那些接口；上下文的成员变量里存储有当前状态的成员变量，此外还提供了供外界调用的接口。

为什么使用状态模式

在编程时，我们经常使用分而治之的办法来应对大规模程序。相比于编写大量的if分支语句，把不同的状态用类拆分开来要好得多。

第九部分 避免浪费

享元模式 (Flyweight)

Flyweight是"轻量级"的意思。使用该设计模式是为了让对象变"轻"。

在Java中使用new来生成实例。为了保存该对象，需要给其分配足够内存空间；如果需要大量对象，那会占据大量空间。享元模式的要带你就是通过共享来避免生成新实例。

享元模式有如下角色：

  1. 轻量级 Flyweight
  2. 轻量级工厂 FlyweightFactory
  3. 请求者 Client

轻量级就是那些被共享的类；在轻量级工厂中生成的轻量级可以实现共享实例；请求者则通过轻量级工厂来拿到轻量级。

轻量级工厂示例如下：

java 复制代码 
public class FlyweightFactory {
    // 管理已经生成的BigChar的实例
    private HashMap pool = new HashMap();
    // Singleton模式
    private static FlyweightFactory singleton = new FlyweightFactory();
    // 构造函数
    private FlyweightFactory() {
    }
    // 获取唯一的实例
    public static FlyweightFactory getInstance() {
        return singleton;
    }
    // 生成（共享）Flyweight类的实例
    public synchronized Flyweight getFlyweight(String FlyweightName) {
        Flyweight bc = (Flyweight)pool.get("" + FlyweightName);
        if (bc == null) {
            bc = new Flyweight(FlyweightName); // 生成Flyweight的实例
            pool.put("" + FlyweightName, bc);
        }
        return bc;
    }
}

这样，如果已经有需要的Flyweight了，就会直接返回，而不是生成新的。

享元模式的拓展

如果我们实现了共享，那就要考虑到共享对象被改变的可能性。也就是说，如果单个Flyweight被改变，那么所有的都会改变。有时候这是好事，有时候我们却不希望发生，但这就是共享的特点。

另外，享元模式不仅是减少了内存的占用，也减少了因为使用new关键字产生的时间开销。

代理模式 (Proxy)

Proxy是"代理人"的意思，它指的是替别人工作的人。但是，如果遇到了不能解决的问题，还是需要交回给委托人处理。

在面向对象编程中，本人和代理人都是对象。如果本人对象太忙了，就交给代理人处理。

代理模式有以下登场角色：

  1. 主体 Subject
  2. 代理人 Proxy
  3. 实际主体 RealSubject

主体定义了代理人和实际主体之间具有一致性的接口，从而使得外界可以透明地调用它们而不需要关注是谁在工作；代理人继承自主体，会尽可能处理请求，同时其中保存有实际主体的成员变量(这里又用到了委托)；实际主体也继承自主体，当代理人无法完成时，就会通过成员变量来调用到它。

为什么使用代理人

首先，使用代理人可以提升速度。把一些常用且简单的任务交到代理处，让其快速处理，只有遇复杂问题才交给实际主体。也可以是，在启动程序时，先加载简单且可以快速启动的代理人，这样用户可以更快地开始使用程序；而复杂臃肿的实际主体则放在后台缓慢加载。

不过这里有一个点需要注意，代理模式中的委托和现实是反过来的。现实中是本人委托给代理人处理，而代理模式中是代理人委托本人处理。

我们通常听到的HTTP代理也使用了代理模式。例如说，我们访问网页时，先访问的是能较快访问的缓存，其次才是访问速度较慢的web服务器。

第十部分 用类来表现

命令模式 (Command)

在状态模式里，我们提到了，状态可以是类。在命令模式里，命令也可以是类。

一个类在工作时可以调用自己活其它类的方法，但是这样做并不会留下记录。如果使用命令模式，我们就可以实现管理工作的历史记录。

命令模式非常常见，例如在用户界面中的点击鼠标、按下键盘等，都有命令模式参与其中。

命令模式有如下登场角色：

  1. 命令 Command
  2. 具体命令 ConcreteCommand
  3. 接收者 Receiver
  4. 请求者 Client
  5. 发动者 Invoker

命令角色负责定义命令的接口；具体命令继承命令并负责实现这些接口。接收者是执行命令的对象，也就是命令接收者。请求者负责生成具体命令角色并分配接收者角色；发动者是开始执行命令的角色，它会调用命令角色定义的接口API。

整个体系是这样工作的：在发动者发出命令后，请求者(注意发动者和请求者不是同一个概念)会new一个具体命令出来，并将接收者Receiver作为参数传到具体命令的构造函数里。然后，发动者会根据命令角色中定义的接口发出指令到具体角色，具体角色再委托其成员变量里的接收者(在构造函数中传入)来实现命令。

命令模式的扩展

关于命令应该包含哪些信息，其实并没有绝对的答案。根据目的不同，其包含的信息也不同。

此外，通过在具体命令中添加历史功能等，我们就可以实现保存历史记录。这种方式允许我们自由往其中添加新功能。

解释器模式 (Interpreter)

这里就到了最后一个设计模式。前面我们说，状态可以是类，命令可以是类，正在解释器模式里，语法规则也可以是类。

在解释器模式中，程序要解决的问题会用非常简单的"迷你语言"表示出来。而为了能在Java程序中运行迷你语言，就需要有一个解释器来进行翻译。

使用解释器模式后，修改程序时，我们可以只修改迷你语言，而不改动Java代码。

解释器模式有以下角色：

  1. 抽象表达式 AbstractExpression
  2. 终结符表达式 TerminalExpression
  3. 非终结符表达式 NonterminalExpression
  4. 上下文 Context
  5. 请求者 Client

抽象表达式定义了迷你语言所有语法都遵循的共同接口；终结符表达式继承抽象表达式，是表示迷你语言结束的表达式；非终结符表达式是迷你语言其余表达式；上下文为解释器进行语法解析提供了必要信息；请求者则利用终结符表达式和非终结符表达式来进行翻译。

在这里作者给出了很长的Java代码示例，用来解释一门控制小车进行前后左右等运动的语言，有兴趣可以参阅源书代码。

还有哪些其它的例子？

最典型的例子之一，我们平时所使用的数据库管理工具，其本身是用C++或者Java语言写的，但是却可以解析SQL语句，这其中就使用到了解释器模式。

以及，例如在Java语言中，如果想要对redis进行事务操作，这其中也经常使用到Lua作为嵌入Java代码的脚本语言，这也用到了解释器。

实际上，正则表达式某种程度也可以看作是解释器翻译的迷你语言。

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