Java23种设计模式(二)

1、单例模式

单例模式(Singleton Pattern)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。

单例模式是一种创建型设计模式,它确保一个类只有一个实例,并提供了一个全局访问点来访问该实例。

  • 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。

1.1、应用实例

  • 一个班级只有一个班主任。
  • Windows 在多进程多线程环境下操作文件时,避免多个进程或线程同时操作一个文件,需要通过唯一实例进行处理。
  • 设备管理器设计为单例模式,例如电脑有两台打印机,避免同时打印同一个文件。

1.2、注意事项

  • 线程安全:getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成实例被多次创建。
  • 延迟初始化:实例在第一次调用 getInstance() 方法时创建。
  • 序列化和反序列化:重写 readResolve 方法以确保反序列化时不会创建新的实例。
  • 反射攻击:在构造函数中添加防护代码,防止通过反射创建新实例。
  • 类加载器问题:注意复杂类加载环境可能导致的多个实例问题。

1.3、单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式,如下所示:

1、懒汉式,线程不安全

  • 是否 Lazy 初始化:是
  • 是否多线程安全:否
  • 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。

实例

java 复制代码
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

2、懒汉式,线程安全

  • 是否 Lazy 初始化:是
  • 是否多线程安全:是
  • 实现难度:易

描述 :这种方式具备很好的 lazy loading,能够在多线程中很好的工作,但是,效率很低,99% 情况下不需要同步。
优点 :第一次调用才初始化,避免内存浪费。
缺点 :必须加锁 synchronized 才能保证单例,但加锁会影响效率。

getInstance() 的性能对应用程序不是很关键(该方法使用不太频繁)。

实例

java 复制代码
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

3、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 classloader 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。

实例

java 复制代码
public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
    return instance;  
    }  
}

4、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。

实例

java 复制代码
public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
            if (singleton == null) {  
                singleton = new Singleton();  
            }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

5、登记式/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 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,它跟第 3 种方式不同的是:第 3 种方式只要 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,只有通过显式调用 getInstance 方法时,才会显式装载 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,这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

实例

java 复制代码
public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

6、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。

实例

java 复制代码
public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

经验之谈:一般情况下,不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式,建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时,才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时,可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求,可以考虑使用第 4 种双检锁方式。

2、建造者模式

建造者模式是一种创建型设计模式,它允许你创建复杂对象的步骤与表示方式相分离。

建造者模式是一种创建型设计模式,它的主要目的是将一个复杂对象的构建过程与其表示相分离,从而可以创建具有不同表示形式的对象。

将变与不变的部分分离开。

与工厂模式的区别是:建造者模式更加关注于零件装配的顺序。

2.1、结构

建造者模式包含以下几个主要角色:

  • 产品(Product):要构建的复杂对象。产品类通常包含多个部分或属性。
  • 抽象建造者(Builder):定义了构建产品的抽象接口,包括构建产品的各个部分的方法。
  • 具体建造者(Concrete Builder):实现抽象建造者接口,具体确定如何构建产品的各个部分,并负责返回最终构建的产品。
  • 指导者(Director):负责调用建造者的方法来构建产品,指导者并不了解具体的构建过程,只关心产品的构建顺序和方式。

2.2、应用实例

去肯德基,汉堡、可乐、薯条、炸鸡翅等是不变的,而其组合是经常变化的,生成出不同的"套餐"。

Java 中的 StringBuilder。

3、原型模式

原型模式(Prototype Pattern)是用于创建重复的对象,同时又能保证性能。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之一。

这种模式是实现了一个原型接口,该接口用于创建当前对象的克隆。当直接创建对象的代价比较大时,则采用这种模式。例如,一个对象需要在一个高代价的数据库操作之后被创建。我们可以缓存该对象,在下一个请求时返回它的克隆,在需要的时候更新数据库,以此来减少数据库调用。
优点

  • 性能提高
  • 避免构造函数的约束

缺点

  • 配备克隆方法需要全面考虑类的功能,对已有类可能较难实现,特别是处理不支持串行化的间接对象或含有循环结构的引用时。
  • 必须实现 Cloneable 接口。

4、适配器模式

适配器模式(Adapter Pattern)充当两个不兼容接口之间的桥梁,属于结构型设计模式。它通过一个中间件(适配器)将一个类的接口转换成客户期望的另一个接口,使原本不能一起工作的类能够协同工作。

这种模式涉及到一个单一的类,该类负责加入独立的或不兼容的接口功能。举个真实的例子,读卡器是作为内存卡和笔记本之间的适配器。您将内存卡插入读卡器,再将读卡器插入笔记本,这样就可以通过笔记本来读取内存卡。

假设有一个音频播放器,它只能播放 MP3 文件。现在,我们需要播放 VLC 和 MP4 文件,可以通过创建一个适配器来实现:

  • 目标接口:定义一个可以播放多种格式文件的音频播放器接口。
  • 适配者类:现有的音频播放器,只能播放 MP3 文件。
  • 适配器类:创建一个新的类,实现目标接口,并在内部使用适配者类来播放 MP3 文件,同时添加对 VLC 和 MP4 文件的支持。

4.1、实现方式

继承或依赖:推荐使用依赖关系,而不是继承,以保持灵活性。

4.2、优点

  • 促进了类之间的协同工作,即使它们没有直接的关联。
  • 提高了类的复用性。
  • 增加了类的透明度。
  • 提供了良好的灵活性。

4.3、缺点

过度使用适配器可能导致系统结构混乱,难以理解和维护。

在Java中,由于只能继承一个类,因此只能适配一个类,且目标类必须是抽象的。

5、桥接模式

桥接(Bridge)是用于把抽象化与实现化解耦,使得二者可以独立变化。这种类型的设计模式属于结构型模式,它通过提供抽象化和实现化之间的桥接结构,来实现二者的解耦。

这种模式涉及到一个作为桥接的接口,使得实体类的功能独立于接口实现类,这两种类型的类可被结构化改变而互不影响。

桥接模式的目的是将抽象与实现分离,使它们可以独立地变化,该模式通过将一个对象的抽象部分与它的实现部分分离,使它们可以独立地改变。它通过组合的方式,而不是继承的方式,将抽象和实现的部分连接起来。

5.1、主要解决的问题

避免使用继承导致的类爆炸问题,提供更灵活的扩展方式。

6、过滤器模式

过滤器模式(Filter Pattern)或标准模式(Criteria Pattern)是一种设计模式,这种模式允许开发人员使用不同的标准来过滤一组对象,通过逻辑运算以解耦的方式把它们连接起来。这种类型的设计模式属于结构型模式,它结合多个标准来获得单一标准。

用于将对象的筛选过程封装起来,允许使用不同的筛选标准动态地筛选对象。

6.1、使用场景

  • 当对象集合需要根据不同的标准进行筛选时。
  • 当筛选逻辑可能变化,或者需要动态地组合多个筛选条件时。

7、组合模式

组合模式(Composite Pattern),又叫部分整体模式,是用于把一组相似的对象当作一个单一的对象。组合模式依据树形结构来组合对象,用来表示部分以及整体层次。这种类型的设计模式属于结构型模式,它创建了对象组的树形结构。

这种模式创建了一个包含自己对象组的类。该类提供了修改相同对象组的方式。

7.1、实现方式

  • 统一接口:定义一个接口,所有对象(树枝和叶子)都实现这个接口。
  • 组合结构:树枝对象包含一个接口的引用列表,这些引用可以是叶子或树枝。

案例

我们有一个类 Employee,该类被当作组合模型类。CompositePatternDemo 类使用 Employee 类来添加部门层次结构,并打印所有员工。

步骤 1

创建 Employee 类,该类带有 Employee 对象的列表。

java 复制代码
Employee.java
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
 
public class Employee {
   private String name;
   private String dept;
   private int salary;
   private List<Employee> subordinates;
 
   //构造函数
   public Employee(String name,String dept, int sal) {
      this.name = name;
      this.dept = dept;
      this.salary = sal;
      subordinates = new ArrayList<Employee>();
   }
 
   public void add(Employee e) {
      subordinates.add(e);
   }
 
   public void remove(Employee e) {
      subordinates.remove(e);
   }
 
   public List<Employee> getSubordinates(){
     return subordinates;
   }
 
   public String toString(){
      return ("Employee :[ Name : "+ name 
      +", dept : "+ dept + ", salary :"
      + salary+" ]");
   }   
}

步骤 2

使用 Employee 类来创建和打印员工的层次结构。

java 复制代码
CompositePatternDemo.java
public class CompositePatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      Employee CEO = new Employee("John","CEO", 30000);
 
      Employee headSales = new Employee("Robert","Head Sales", 20000);
 
      Employee headMarketing = new Employee("Michel","Head Marketing", 20000);
 
      Employee clerk1 = new Employee("Laura","Marketing", 10000);
      Employee clerk2 = new Employee("Bob","Marketing", 10000);
 
      Employee salesExecutive1 = new Employee("Richard","Sales", 10000);
      Employee salesExecutive2 = new Employee("Rob","Sales", 10000);
 
      CEO.add(headSales);
      CEO.add(headMarketing);
 
      headSales.add(salesExecutive1);
      headSales.add(salesExecutive2);
 
      headMarketing.add(clerk1);
      headMarketing.add(clerk2);
 
      //打印该组织的所有员工
      System.out.println(CEO); 
      for (Employee headEmployee : CEO.getSubordinates()) {
         System.out.println(headEmployee);
         for (Employee employee : headEmployee.getSubordinates()) {
            System.out.println(employee);
         }
      }        
   }
}

步骤 3

执行程序,输出结果为:

java 复制代码
Employee :[ Name : John, dept : CEO, salary :30000 ]
Employee :[ Name : Robert, dept : Head Sales, salary :20000 ]
Employee :[ Name : Richard, dept : Sales, salary :10000 ]
Employee :[ Name : Rob, dept : Sales, salary :10000 ]
Employee :[ Name : Michel, dept : Head Marketing, salary :20000 ]
Employee :[ Name : Laura, dept : Marketing, salary :10000 ]
Employee :[ Name : Bob, dept : Marketing, salary :10000 ]
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