設(shè)計(jì)模式(Design Patterns) ——可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ) 設(shè)計(jì)模式(Design pattern)是一套被反復(fù)使用、多數(shù)人知曉的,、經(jīng)過分類編目的,、代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。使用設(shè)計(jì)模式是為了可重用代碼,、讓代碼更容易被他人理解,、保證代碼可靠性。 毫無疑問,,設(shè)計(jì)模式于己于他人于系統(tǒng)都是多贏的,,設(shè)計(jì)模式使代碼編制真正工程化,設(shè)計(jì)模式是軟件工程的基石,,如同大廈的一塊塊磚石一樣,。項(xiàng)目中合理的運(yùn)用設(shè)計(jì)模式可以完美的解決很多問題,每種模式在現(xiàn)在中都有相應(yīng)的原理來與之對(duì)應(yīng),,每一個(gè)模式描述了一個(gè)在我們周圍不斷重復(fù)發(fā)生的問題,,以及該問題的核心解決方案,這也是它能被廣泛應(yīng)用的原因。本章系Java之美[從菜鳥到高手演變]系列之設(shè)計(jì)模式,,我們會(huì)以理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式來進(jìn)行本章的學(xué)習(xí),,希望廣大程序愛好者,學(xué)好設(shè)計(jì)模式,,做一個(gè)優(yōu)秀的軟件工程師,! 一、設(shè)計(jì)模式的分類 總體來說設(shè)計(jì)模式分為三大類: 創(chuàng)建型模式,,共五種:工廠方法模式,、抽象工廠模式、單例模式,、建造者模式,、原型模式。 結(jié)構(gòu)型模式,,共七種:適配器模式,、裝飾器模式、代理模式,、外觀模式、橋接模式,、組合模式,、享元模式。 行為型模式,,共十一種:策略模式,、模板方法模式、觀察者模式,、迭代子模式,、責(zé)任鏈模式、命令模式,、備忘錄模式,、狀態(tài)模式、訪問者模式,、中介者模式,、解釋器模式。 其實(shí)還有兩類:并發(fā)型模式和線程池模式,。用一個(gè)圖片來整體描述一下: 二,、設(shè)計(jì)模式的六大原則 1、開閉原則(Open Close Principle) 開閉原則就是說對(duì)擴(kuò)展開放,,對(duì)修改關(guān)閉,。在程序需要進(jìn)行拓展的時(shí)候,不能去修改原有的代碼,實(shí)現(xiàn)一個(gè)熱插拔的效果,。所以一句話概括就是:為了使程序的擴(kuò)展性好,,易于維護(hù)和升級(jí)。想要達(dá)到這樣的效果,,我們需要使用接口和抽象類,,后面的具體設(shè)計(jì)中我們會(huì)提到這點(diǎn)。 2,、里氏代換原則(Liskov Substitution Principle) 里氏代換原則(Liskov Substitution Principle LSP)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的基本原則之一,。 里氏代換原則中說,任何基類可以出現(xiàn)的地方,,子類一定可以出現(xiàn),。 LSP是繼承復(fù)用的基石,只有當(dāng)衍生類可以替換掉基類,,軟件單位的功能不受到影響時(shí),,基類才能真正被復(fù)用,而衍生類也能夠在基類的基礎(chǔ)上增加新的行為,。里氏代換原則是對(duì)“開-閉”原則的補(bǔ)充,。實(shí)現(xiàn)“開-閉”原則的關(guān)鍵步驟就是抽象化。而基類與子類的繼承關(guān)系就是抽象化的具體實(shí)現(xiàn),,所以里氏代換原則是對(duì)實(shí)現(xiàn)抽象化的具體步驟的規(guī)范,。—— From Baidu 百科 3,、依賴倒轉(zhuǎn)原則(Dependence Inversion Principle) 這個(gè)是開閉原則的基礎(chǔ),,具體內(nèi)容:真對(duì)接口編程,依賴于抽象而不依賴于具體,。 4,、接口隔離原則(Interface Segregation Principle) 這個(gè)原則的意思是:使用多個(gè)隔離的接口,比使用單個(gè)接口要好,。還是一個(gè)降低類之間的耦合度的意思,,從這兒我們看出,其實(shí)設(shè)計(jì)模式就是一個(gè)軟件的設(shè)計(jì)思想,,從大型軟件架構(gòu)出發(fā),,為了升級(jí)和維護(hù)方便。所以上文中多次出現(xiàn):降低依賴,,降低耦合,。 5、迪米特法則(最少知道原則)(Demeter Principle) 為什么叫最少知道原則,,就是說:一個(gè)實(shí)體應(yīng)當(dāng)盡量少的與其他實(shí)體之間發(fā)生相互作用,,使得系統(tǒng)功能模塊相對(duì)獨(dú)立。 6、合成復(fù)用原則(Composite Reuse Principle) 原則是盡量使用合成/聚合的方式,,而不是使用繼承,。 三、Java的23中設(shè)計(jì)模式 從這一塊開始,,我們?cè)敿?xì)介紹Java中23種設(shè)計(jì)模式的概念,,應(yīng)用場(chǎng)景等情況,并結(jié)合他們的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)模式的原則進(jìn)行分析,。 1,、工廠方法模式(Factory Method) 工廠方法模式分為三種: 11、普通工廠模式,,就是建立一個(gè)工廠類,,對(duì)實(shí)現(xiàn)了同一接口的一些類進(jìn)行實(shí)例的創(chuàng)建。首先看下關(guān)系圖: 舉例如下:(我們舉一個(gè)發(fā)送郵件和短信的例子) 首先,,創(chuàng)建二者的共同接口:
其次,,創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)類:
最后,建工廠類:
我們來測(cè)試下:
輸出:this is sms sender! 22,、多個(gè)工廠方法模式,,是對(duì)普通工廠方法模式的改進(jìn),在普通工廠方法模式中,,如果傳遞的字符串出錯(cuò),,則不能正確創(chuàng)建對(duì)象,而多個(gè)工廠方法模式是提供多個(gè)工廠方法,,分別創(chuàng)建對(duì)象。關(guān)系圖: 將上面的代碼做下修改,,改動(dòng)下SendFactory類就行,,如下:
測(cè)試類如下:
輸出:this is mailsender! 33、靜態(tài)工廠方法模式,,將上面的多個(gè)工廠方法模式里的方法置為靜態(tài)的,,不需要?jiǎng)?chuàng)建實(shí)例,直接調(diào)用即可,。
輸出:this is mailsender! 總體來說,,工廠模式適合:凡是出現(xiàn)了大量的產(chǎn)品需要?jiǎng)?chuàng)建,并且具有共同的接口時(shí),,可以通過工廠方法模式進(jìn)行創(chuàng)建,。在以上的三種模式中,第一種如果傳入的字符串有誤,,不能正確創(chuàng)建對(duì)象,,第三種相對(duì)于第二種,不需要實(shí)例化工廠類,所以,,大多數(shù)情況下,,我們會(huì)選用第三種——靜態(tài)工廠方法模式。 2,、抽象工廠模式(Abstract Factory) 工廠方法模式有一個(gè)問題就是,,類的創(chuàng)建依賴工廠類,也就是說,,如果想要拓展程序,,必須對(duì)工廠類進(jìn)行修改,這違背了閉包原則,,所以,,從設(shè)計(jì)角度考慮,有一定的問題,,如何解決,?就用到抽象工廠模式,創(chuàng)建多個(gè)工廠類,,這樣一旦需要增加新的功能,,直接增加新的工廠類就可以了,不需要修改之前的代碼,。因?yàn)槌橄蠊S不太好理解,,我們先看看圖,然后就和代碼,,就比較容易理解,。 請(qǐng)看例子:
兩個(gè)實(shí)現(xiàn)類:
兩個(gè)工廠類:
在提供一個(gè)接口:
測(cè)試類:
其實(shí)這個(gè)模式的好處就是,如果你現(xiàn)在想增加一個(gè)功能:發(fā)及時(shí)信息,,則只需做一個(gè)實(shí)現(xiàn)類,,實(shí)現(xiàn)Sender接口,同時(shí)做一個(gè)工廠類,,實(shí)現(xiàn)Provider接口,,就OK了,無需去改動(dòng)現(xiàn)成的代碼,。這樣做,,拓展性較好! 3,、單例模式(Singleton) 單例對(duì)象(Singleton)是一種常用的設(shè)計(jì)模式,。在Java應(yīng)用中,單例對(duì)象能保證在一個(gè)JVM中,,該對(duì)象只有一個(gè)實(shí)例存在,。這樣的模式有幾個(gè)好處: 1,、某些類創(chuàng)建比較頻繁,對(duì)于一些大型的對(duì)象,,這是一筆很大的系統(tǒng)開銷,。 2、省去了new操作符,,降低了系統(tǒng)內(nèi)存的使用頻率,,減輕GC壓力。 3,、有些類如交易所的核心交易引擎,,控制著交易流程,如果該類可以創(chuàng)建多個(gè)的話,,系統(tǒng)完全亂了,。(比如一個(gè)軍隊(duì)出現(xiàn)了多個(gè)司令員同時(shí)指揮,肯定會(huì)亂成一團(tuán)),,所以只有使用單例模式,,才能保證核心交易服務(wù)器獨(dú)立控制整個(gè)流程。 首先我們寫一個(gè)簡單的單例類:
但是,synchronized關(guān)鍵字鎖住的是這個(gè)對(duì)象,,這樣的用法,,在性能上會(huì)有所下降,因?yàn)槊看握{(diào)用getInstance(),,都要對(duì)對(duì)象上鎖,,事實(shí)上,只有在第一次創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)候需要加鎖,,之后就不需要了,,所以,,這個(gè)地方需要改進(jìn)。我們改成下面這個(gè):
似乎解決了之前提到的問題,,將synchronized關(guān)鍵字加在了內(nèi)部,,也就是說當(dāng)調(diào)用的時(shí)候是不需要加鎖的,只有在instance為null,,并創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)候才需要加鎖,,性能有一定的提升。但是,,這樣的情況,,還是有可能有問題的,看下面的情況:在Java指令中創(chuàng)建對(duì)象和賦值操作是分開進(jìn)行的,,也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執(zhí)行的,。但是JVM并不保證這兩個(gè)操作的先后順序,也就是說有可能JVM會(huì)為新的Singleton實(shí)例分配空間,,然后直接賦值給instance成員,,然后再去初始化這個(gè)Singleton實(shí)例。這樣就可能出錯(cuò)了,,我們以A,、B兩個(gè)線程為例: a>A、B線程同時(shí)進(jìn)入了第一個(gè)if判斷 b>A首先進(jìn)入synchronized塊,,由于instance為null,,所以它執(zhí)行instance = new Singleton(); c>由于JVM內(nèi)部的優(yōu)化機(jī)制,JVM先畫出了一些分配給Singleton實(shí)例的空白內(nèi)存,,并賦值給instance成員(注意此時(shí)JVM沒有開始初始化這個(gè)實(shí)例),,然后A離開了synchronized塊。 d>B進(jìn)入synchronized塊,,由于instance此時(shí)不是null,,因此它馬上離開了synchronized塊并將結(jié)果返回給調(diào)用該方法的程序。 e>此時(shí)B線程打算使用Singleton實(shí)例,,卻發(fā)現(xiàn)它沒有被初始化,,于是錯(cuò)誤發(fā)生了。 所以程序還是有可能發(fā)生錯(cuò)誤,,其實(shí)程序在運(yùn)行過程是很復(fù)雜的,,從這點(diǎn)我們就可以看出,尤其是在寫多線程環(huán)境下的程序更有難度,,有挑戰(zhàn)性,。我們對(duì)該程序做進(jìn)一步優(yōu)化:
實(shí)際情況是,單例模式使用內(nèi)部類來維護(hù)單例的實(shí)現(xiàn),,JVM內(nèi)部的機(jī)制能夠保證當(dāng)一個(gè)類被加載的時(shí)候,,這個(gè)類的加載過程是線程互斥的,。這樣當(dāng)我們第一次調(diào)用getInstance的時(shí)候,JVM能夠幫我們保證instance只被創(chuàng)建一次,,并且會(huì)保證把賦值給instance的內(nèi)存初始化完畢,,這樣我們就不用擔(dān)心上面的問題。同時(shí)該方法也只會(huì)在第一次調(diào)用的時(shí)候使用互斥機(jī)制,,這樣就解決了低性能問題,。這樣我們暫時(shí)總結(jié)一個(gè)完美的單例模式:
其實(shí)說它完美,,也不一定,如果在構(gòu)造函數(shù)中拋出異常,,實(shí)例將永遠(yuǎn)得不到創(chuàng)建,,也會(huì)出錯(cuò)。所以說,,十分完美的東西是沒有的,,我們只能根據(jù)實(shí)際情況,選擇最適合自己應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)方法,。 通過單例模式的學(xué)習(xí)告訴我們: 1,、單例模式理解起來簡單,但是具體實(shí)現(xiàn)起來還是有一定的難度,。 2,、synchronized關(guān)鍵字鎖定的是對(duì)象,在用的時(shí)候,,一定要在恰當(dāng)?shù)牡胤绞褂茫ㄗ⒁庑枰褂面i的對(duì)象和過程,,可能有的時(shí)候并不是整個(gè)對(duì)象及整個(gè)過程都需要鎖)。 到這兒,,單例模式基本已經(jīng)講完了,,結(jié)尾處,筆者突然想到另一個(gè)問題,,就是采用類的靜態(tài)方法,,實(shí)現(xiàn)單例模式的效果,也是可行的,,此處二者有什么不同,? 首先,靜態(tài)類不能實(shí)現(xiàn)接口,。(從類的角度說是可以的,但是那樣就破壞了靜態(tài)了,。因?yàn)榻涌谥胁辉试S有static修飾的方法,,所以即使實(shí)現(xiàn)了也是非靜態(tài)的) 其次,,單例可以被延遲初始化,靜態(tài)類一般在第一次加載是初始化,。之所以延遲加載,,是因?yàn)橛行╊惐容^龐大,所以延遲加載有助于提升性能,。 再次,,單例類可以被繼承,他的方法可以被覆寫,。但是靜態(tài)類內(nèi)部方法都是static,,無法被覆寫。 最后一點(diǎn),,單例類比較靈活,,畢竟從實(shí)現(xiàn)上只是一個(gè)普通的Java類,只要滿足單例的基本需求,,你可以在里面隨心所欲的實(shí)現(xiàn)一些其它功能,,但是靜態(tài)類不行。從上面這些概括中,,基本可以看出二者的區(qū)別,,但是,從另一方面講,,我們上面最后實(shí)現(xiàn)的那個(gè)單例模式,,內(nèi)部就是用一個(gè)靜態(tài)類來實(shí)現(xiàn)的,所以,,二者有很大的關(guān)聯(lián),,只是我們考慮問題的層面不同罷了。兩種思想的結(jié)合,,才能造就出完美的解決方案,,就像HashMap采用數(shù)組+鏈表來實(shí)現(xiàn)一樣,其實(shí)生活中很多事情都是這樣,,單用不同的方法來處理問題,,總是有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn),最完美的方法是,,結(jié)合各個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn),,才能最好的解決問題! 4,、建造者模式(Builder) 工廠類模式提供的是創(chuàng)建單個(gè)類的模式,,而建造者模式則是將各種產(chǎn)品集中起來進(jìn)行管理,用來創(chuàng)建復(fù)合對(duì)象,,所謂復(fù)合對(duì)象就是指某個(gè)類具有不同的屬性,,其實(shí)建造者模式就是前面抽象工廠模式和最后的Test結(jié)合起來得到的,。我們看一下代碼: 還和前面一樣,一個(gè)Sender接口,,兩個(gè)實(shí)現(xiàn)類MailSender和SmsSender,。最后,建造者類如下:
測(cè)試類:
從這點(diǎn)看出,,建造者模式將很多功能集成到一個(gè)類里,,這個(gè)類可以創(chuàng)造出比較復(fù)雜的東西。所以與工程模式的區(qū)別就是:工程模式關(guān)注的是創(chuàng)建單個(gè)產(chǎn)品,,而建造者模式則關(guān)注創(chuàng)建符合對(duì)象,,多個(gè)部分。因此,,是選擇工程模式還是建造者模式,,依實(shí)際情況而定。 5,、原型模式(Prototype) 原型模式雖然是創(chuàng)建型的模式,,但是與工程模式?jīng)]有關(guān)系,從名字即可看出,,該模式的思想就是將一個(gè)對(duì)象作為原型,,對(duì)其進(jìn)行復(fù)制、克隆,,產(chǎn)生一個(gè)和原對(duì)象類似的新對(duì)象,。本小結(jié)會(huì)通過對(duì)象的復(fù)制,進(jìn)行講解,。在Java中,,復(fù)制對(duì)象是通過clone()實(shí)現(xiàn)的,先創(chuàng)建一個(gè)原型類:
很簡單,,一個(gè)原型類,,只需要實(shí)現(xiàn)Cloneable接口,覆寫clone方法,,此處clone方法可以改成任意的名稱,,因?yàn)镃loneable接口是個(gè)空接口,你可以任意定義實(shí)現(xiàn)類的方法名,,如cloneA或者cloneB,,因?yàn)榇颂幍闹攸c(diǎn)是super.clone()這句話,super.clone()調(diào)用的是Object的clone()方法,,而在Object類中,,clone()是native的,具體怎么實(shí)現(xiàn),我會(huì)在另一篇文章中,,關(guān)于解讀Java中本地方法的調(diào)用,,此處不再深究。在這兒,,我將結(jié)合對(duì)象的淺復(fù)制和深復(fù)制來說一下,首先需要了解對(duì)象深,、淺復(fù)制的概念: 淺復(fù)制:將一個(gè)對(duì)象復(fù)制后,,基本數(shù)據(jù)類型的變量都會(huì)重新創(chuàng)建,而引用類型,,指向的還是原對(duì)象所指向的,。 深復(fù)制:將一個(gè)對(duì)象復(fù)制后,不論是基本數(shù)據(jù)類型還有引用類型,,都是重新創(chuàng)建的,。簡單來說,就是深復(fù)制進(jìn)行了完全徹底的復(fù)制,,而淺復(fù)制不徹底,。 此處,寫一個(gè)深淺復(fù)制的例子:
要實(shí)現(xiàn)深復(fù)制,,需要采用流的形式讀入當(dāng)前對(duì)象的二進(jìn)制輸入,,再寫出二進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的對(duì)象。 由于文章篇幅較長,,為了更好的方便讀者閱讀,,我將接下了的其它介紹放在另一篇文章中(也許會(huì)分兩篇來),感謝大家提出寶貴的意見和建議,! |
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