设计模式深度解析：单例、工厂、适配器与代理模式

不修×蝙蝠2025-07-18 20:47

目录

[一、单例模式(Singleton Pattern)](#一、单例模式(Singleton Pattern))

原理

使用场景

优缺点

优点：

缺点：

实现代码

基础实现（非线程安全）

线程安全实现（加锁）

Java枚举实现（最佳实践）

[二、工厂模式(Factory Pattern)](#二、工厂模式(Factory Pattern))

原理

使用场景

优缺点

优点：

缺点：

实现代码

简单工厂

工厂方法

抽象工厂

[三、适配器模式(Adapter Pattern)](#三、适配器模式(Adapter Pattern))

原理

使用场景

优缺点

优点：

缺点：

实现代码

类适配器（继承）

对象适配器（组合）

实际应用示例（电压适配器）

[四、代理模式(Proxy Pattern)](#四、代理模式(Proxy Pattern))

原理

使用场景

优缺点

优点：

缺点：

实现代码

静态代理

动态代理（JDK）

Cglib代理

设计模式是软件开发中解决常见问题的可复用方案。本文将深入探讨四种常用的设计模式：单例模式、工厂模式、适配器模式和代理模式，分析它们的原理、使用场景、优缺点，并提供实现代码示例。

一、单例模式(Singleton Pattern)

原理

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。它通过私有化构造函数、提供静态获取实例方法来实现。

使用场景

  • 需要控制资源访问，如数据库连接池

  • 全局配置对象

  • 日志记录器

  • 设备驱动程序

优缺点

优点：

  • 严格控制实例数量

  • 全局访问方便

  • 避免频繁创建销毁对象

缺点：

  • 违反单一职责原则（既管理生命周期又处理业务）

  • 难以扩展

  • 多线程环境下需要特殊处理

实现代码

基础实现（非线程安全）

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;
    }
}

线程安全实现（加锁）

java 复制代码 
public class ThreadSafeSingleton {
    // 必须使用 volatile 禁止指令重排序，保证可见性
    private static volatile ThreadSafeSingleton instance;

    // 私有构造方法，防止外部通过 new 创建实例
    private ThreadSafeSingleton() {}

    public static ThreadSafeSingleton getInstance() {
        // 第一次检查：避免每次都进入同步块，提高性能
        if (instance == null) {
            synchronized (ThreadSafeSingleton.class) {
                // 第二次检查：确保只有一个线程能创建实例
                if (instance == null) {
                    instance = new ThreadSafeSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

/**
 * 线程安全的单例模式（双重检查锁定 DCL，Double-Checked Locking）
 *
 * 为什么它是线程安全的？
 *
 * 1. 双重检查（Double-Check）
 *    第一次检查 instance == null 时未加锁，可以避免每次调用 getInstance() 都进入同步块，
 *    只有真正需要第一次初始化时才进入 synchronized，降低锁粒度，提高性能。
 *
 * 2. synchronized 块
 *    第二次检查 instance == null 时已经在同步块内部，保证同一时刻只有一个线程能执行
 *    `instance = new ThreadSafeSingleton();`，防止重复创建对象。
 *
 * 3. volatile 关键字
 *    修饰 instance 的 `volatile` 有两个关键作用：
 *
 *    a) 可见性：保证一个线程修改 instance 后，其他线程立即可见最新值。
 *
 *    b) 禁止指令重排序：防止 JVM/CPU 的指令重排序导致对象尚未完全构造完成就被其他线程看到。
 *       创建对象实际上分为三步：
 *       1. 分配内存
 *       2. 初始化对象（调用构造方法）
 *       3. 将引用指向刚分配的内存地址
 *       如果没有 volatile，2 和 3 可能被重排序，导致其他线程拿到一个"半初始化"的对象。
 *
 * 所以：通过双重检查 + synchronized 保证互斥性，通过 volatile 保证可见性和禁止重排序，
 * 从而确保在任何并发场景下都只有一个实例被创建，并且所有线程都能正确看到完全初始化的实例。
 */

第一次检查：避免已经创建好的实例每次调用都进锁，提升性能。

第二次检查：真正要创建时才进锁，防止多线程同时第一次创建，保证只 new 一次。

Java枚举实现（最佳实践）

java 复制代码 
public enum EnumSingleton {
    // 唯一实例
    INSTANCE;

    // 可以有任何字段或方法
    private int counter = 0;

    public void doSomething() {
        counter++;
        System.out.println("counter = " + counter);
    }
}
/**
 *  天生线程安全
 *    枚举常量在类加载阶段由 JVM 保证只实例化一次，且是原子操作；
 *    不需要任何同步代码，也永远不存在并发问题。
 *
 */

二、工厂模式(Factory Pattern)

原理

工厂模式定义一个创建对象的接口，但让子类决定实例化哪个类。它将对象创建与使用分离。

使用场景

  • 系统需要独立于其产品的创建、组合和表示

  • 需要提供产品的类库，只暴露接口

  • 需要灵活扩展系统时

优缺点

优点：

  • 解耦对象创建与使用

  • 易于扩展新产品

  • 符合开闭原则

缺点：

  • 增加了系统复杂度

  • 需要引入额外类

实现代码

简单工厂

java 复制代码 
// ====== 简单工厂 ======
// 简单工厂：把"创建对象"的逻辑集中在一个类里，根据传入的 type 返回不同的产品实现
public class SimpleFactory {
    // 根据字符串 type 创建对应的产品对象
    public Product createProduct(String type) {
        switch (type) {
            case "A":
                return new ConcreteProductA();
            case "B":
                return new ConcreteProductB();
            default:
                throw new IllegalArgumentException("Unknown product type");
        }
    }
}

// 产品接口
interface Product {}

// 具体产品 A
class ConcreteProductA implements Product {}

// 具体产品 B
class ConcreteProductB implements Product {}

工厂方法

java 复制代码 
// ====== 工厂方法 ======
// 工厂方法：把"创建对象"推迟到子类实现，父类只定义流程骨架
public abstract class Factory {
    // 子类必须实现，决定真正创建哪种产品
    public abstract Product createProduct();
    
    // 模板方法：先创建产品再使用
    public void doSomething() {
        Product product = createProduct();
        // 使用product
    }
}

// 具体工厂 A：负责生产 ConcreteProductA
class ConcreteFactoryA extends Factory {
    @Override
    public Product createProduct() {
        return new ConcreteProductA();
    }
}

// 具体工厂 B：负责生产 ConcreteProductB
class ConcreteFactoryB extends Factory {
    @Override
    public Product createProduct() {
        return new ConcreteProductB();
    }
}

抽象工厂

java 复制代码 
// ====== 抽象工厂 ======
// 抽象工厂：一次性创建"一族"相关或依赖的产品（这里为 ProductA + ProductB）
public interface AbstractFactory {
    // 创建 ProductA 系列对象
    ProductA createProductA();
    // 创建 ProductB 系列对象
    ProductB createProductB();
}

// 具体工厂 1：生产 ProductA1 与 ProductB1
class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory {
    @Override
    public ProductA createProductA() {
        return new ProductA1();
    }
    
    @Override
    public ProductB createProductB() {
        return new ProductB1();
    }
}

// 具体工厂 2：生产 ProductA2 与 ProductB2
class ConcreteFactory2 implements AbstractFactory {
    @Override
    public ProductA createProductA() {
        return new ProductA2();
    }
    
    @Override
    public ProductB createProductB() {
        return new ProductB2();
    }
}

三、适配器模式(Adapter Pattern)

原理

适配器模式将一个类的接口转换成客户期望的另一个接口，使原本不兼容的类可以一起工作。

使用场景

  • 需要使用现有类，但其接口不符合要求

  • 需要创建可复用的类，与不相关或不可预见的类协同工作

  • 需要使用几个子类，但子类化每个类不现实

优缺点

优点：

  • 使不兼容的接口协同工作

  • 提高类的复用性

  • 灵活、可扩展

缺点：

  • 过多使用会使系统混乱

  • 增加系统复杂度

实现代码

类适配器（继承）

java 复制代码 
// 目标接口
interface Target {
    void request();
}

// 需要适配的类
class Adaptee {
    public void specificRequest() {
        System.out.println("Adaptee's specific request");
    }
}

// 适配器
class ClassAdapter extends Adaptee implements Target {
    @Override
    public void request() {
        specificRequest();
    }
}

对象适配器（组合）

java 复制代码 
class ObjectAdapter implements Target {
    private Adaptee adaptee;
    
    public ObjectAdapter(Adaptee adaptee) {
        this.adaptee = adaptee;
    }
    
    @Override
    public void request() {
        adaptee.specificRequest();
    }
}

实际应用示例（电压适配器）

java 复制代码 
// 中国220V插座
class ChineseSocket {
    public void provide220V() {
        System.out.println("Providing 220V");
    }
}

// 美国110V设备接口
interface USDevice {
    void workOn110V();
}

// 适配器
class SocketAdapter implements USDevice {
    private ChineseSocket socket;
    
    public SocketAdapter(ChineseSocket socket) {
        this.socket = socket;
    }
    
    @Override
    public void workOn110V() {
        socket.provide220V();
        System.out.println("Converting 220V to 110V");
    }
}

四、代理模式(Proxy Pattern)

原理

代理模式为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。代理对象在客户端和目标对象之间起到中介作用。

使用场景

  • 远程代理（远程方法调用）

  • 虚拟代理（延迟加载大对象）

  • 保护代理（控制访问权限）

  • 智能引用（引用计数、懒加载等）

优缺点

优点：

  • 职责清晰

  • 高扩展性

  • 智能化

缺点：

  • 增加系统复杂度

  • 可能降低请求处理速度

实现代码

静态代理

java 复制代码 
interface Image {
    void display();
}

class RealImage implements Image {
    private String filename;
    
    public RealImage(String filename) {
        this.filename = filename;
        loadFromDisk();
    }
    
    private void loadFromDisk() {
        System.out.println("Loading " + filename);
    }
    
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("Displaying " + filename);
    }
}

class ProxyImage implements Image {
    private RealImage realImage;
    private String filename;
    
    public ProxyImage(String filename) {
        this.filename = filename;
    }
    
    @Override
    public void display() {
        if (realImage == null) {
            realImage = new RealImage(filename);
        }
        realImage.display();
    }
}

动态代理（JDK）

java 复制代码 
interface Subject {
    void request();
}

class RealSubject implements Subject {
    @Override
    public void request() {
        System.out.println("RealSubject handling request");
    }
}

class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {
    private Object target;
    
    public DynamicProxyHandler(Object target) {
        this.target = target;
    }
    
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("Before method call");
        Object result = method.invoke(target, args);
        System.out.println("After method call");
        return result;
    }
}

// 使用
Subject realSubject = new RealSubject();
Subject proxy = (Subject) Proxy.newProxyInstance(
    Subject.class.getClassLoader(),
    new Class[]{Subject.class},
    new DynamicProxyHandler(realSubject)
);
proxy.request();

Cglib代理

java 复制代码 
class RealService {
    public void doSomething() {
        System.out.println("RealService doing something");
    }
}

class CglibProxy implements MethodInterceptor {
    public Object getProxy(Class clazz) {
        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        enhancer.setSuperclass(clazz);
        enhancer.setCallback(this);
        return enhancer.create();
    }
    
    @Override
    public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
        System.out.println("Before method call");
        Object result = proxy.invokeSuper(obj, args);
        System.out.println("After method call");
        return result;
    }
}

// 使用
RealService proxy = (RealService) new CglibProxy().getProxy(RealService.class);
proxy.doSomething();

五、对比

模式 目的 主要应用场景 关键特点
单例 控制实例数量 全局唯一对象 私有构造、静态实例
工厂 封装对象创建 复杂对象创建 创建与使用分离
适配器 接口转换 兼容旧系统 包装不兼容接口
代理 控制访问 访问控制、增强功能 间接访问、功能增强
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