几种常用的设计模式介绍.pdf

第1页，共21页几种常用的设计模式介绍几种常用的设计模式介绍1.设计模式的起源最早提出“设计模式”概念的是建筑设计大师亚力山大 Alexander。在1970 年他的建筑的永恒之道里描述了投计模式的发现，因为它已经存在了千百年之久，而现代才被通过大量的研究而被发现。在建筑的永恒之道里这样描述：模式是一条由三个部分组成的通用规则：它表示了一个特定一个特定环境环境、一类问题一类问题和一个解决方案一个解决方案之间的关系。每一个模式描述了一个不断重复发生不断重复发生的问题，以及该问题解决方案的核心设计解决方案的核心设计。在他的另一本书建筑模式语言中提到了现在已经定义了 253 种模式。比如：说明城市主要的结构：亚文化区的镶嵌、分散的工作点、城市的魅力、地方交通区住宅团组：户型混合、公共性的程度、住宅团组、联排式住宅、丘状住宅、老人天地室内环境和室外环境、阴和阳总是一气呵成针对住宅：夫妻的领域、儿童的领域、朝东的卧室、农家的厨房、私家的沿街露台、个人居室、起居空间的序列、多床卧室、浴室、大储藏室针对办公室、车间和公共建筑物：灵活办公空间、共同进餐、共同小组、宾至如归、等候场所、小会议室、半私密办公室尽管亚力山大的著作是针对建筑领域的，但他的观点实际上适用于所有的工程设计领域，其中也包括软件设计领域。“软件设计模式”，这个术语是在 1990 年代由 Erich Gamma 等人从建筑设计领域引入到计算机科学中来的。目前主要有 23 种。2.软件设计模式的分类2.1.创建型创建对象时，不再由我们直接实例化对象；而是根据特定场景，由程序来确定创建对象的方式，从而保证更大的性能、更好的架构优势。创建型模式主要有简单工厂模式简单工厂模式（并不是 23 种设计模式之一）、工厂方法、抽象工厂模式工厂方法、抽象工厂模式、单例模式单例模式、生成器模式和原型模式。2.2.结构型用于帮助将多个对象组织成更大的结构。结构型模式主要有适配器模式、桥接模式桥接模式、组合器模式、装饰器模式、门面模式门面模式、亨元模式和代理模式代理模式。2.3.行为型用于帮助系统间各对象的通信，以及如何控制复杂系统中流程。行为型模式主要有命令模式命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式观察者模式、状态模式、策略模式策略模式、模板模式和访问者模式。第2页，共21页3.常见设计模式介绍3.1.单例模式(singleton)有些时候，允许自由创建某个类的实例没有意义，还可能造成系统性能下降。如果一个类始终只能创建一个实例，则这个类被称为单例类，这种模式就被称为单例模式。public class Singleton public static void main(String args)/创建Singleton对象不能通过构造器，只能通过getInstance方法Singleton s1=Singleton.getInstance();Singleton s2=Singleton.getInstance();/将输出trueSystem.out.println(s1=s2);/使用一个变量来缓存曾经创建的实例private static Singleton instance;/将构造器使用private修饰，隐藏该构造器private Singleton()System.out.println(Singleton被构造！);/提供一个静态方法，用于返回Singleton实例/该方法可以加入自定义的控制，保证只产生一个Singleton对象public static Singleton getInstance()/如果instance为null，表明还不曾创建Singleton对象/如果instance不为null，则表明已经创建了Singleton对象，将不会执行该方法if(instance=null)/创建一个Singleton对象，并将其缓存起来instance=new Singleton();return instance;单例模式主要有如下两个优势：1)减少创建 Java 实例所带来的系统开销2)便于系统跟踪单个 Java 实例的生命周期、实例状态等。第3页，共21页3.2.简单工厂(StaticFactory Method)简单工厂模式是由一个工厂对象决定创建出哪一种产品类的实例。简单工厂模式是工厂模式家族中最简单实用的模式，可以理解为是不同工厂模式的一个特殊实现。A 实例调用 B 实例的方法，称为 A 依赖于 B。如果使用 new 关键字来创建一个 B 实例（硬编码耦合），然后调用 B 实例的方法。一旦系统需要重构：需要使用 C 类来代替 B 类时，程序不得不改写A 类代码。而用工厂模式则不需要关心 B 对象的实现、创建过程。对象接口对象工厂客户端Output，接口public interface Output/接口里定义的属性只能是常量int MAX_CACHE_LINE=50;/接口里定义的只能是public的抽象实例方法void out();void getData(String msg);Printer，Output 的一个实现/让Printer类实现Outputpublic class Printer implements Outputprivate String printData=new StringMAX_CACHE_LINE;/用以记录当前需打印的作业数private int dataNum=0;public void out()/只要还有作业，继续打印while(dataNum 0)System.out.println(打印机打印：+printData0);/把作业队列整体前移一位，并将剩下的作业数减1System.arraycopy(printData,1,printData,0,-dataNum);public void getData(String msg)第4页，共21页if(dataNum=MAX_CACHE_LINE)System.out.println(输出队列已满，添加失败);else/把打印数据添加到队列里，已保存数据的数量加1。printDatadataNum+=msg;BetterPrinter，Output 的一个实现public class BetterPrinter implements Outputprivate String printData=new StringMAX_CACHE_LINE*2;/用以记录当前需打印的作业数private int dataNum=0;public void out()/只要还有作业，继续打印while(dataNum 0)System.out.println(高速打印机正在打印：+printData0);/把作业队列整体前移一位，并将剩下的作业数减1System.arraycopy(printData,1,printData,0,-dataNum);public void getData(String msg)if(dataNum=MAX_CACHE_LINE*2)System.out.println(输出队列已满，添加失败);else/把打印数据添加到队列里，已保存数据的数量加1。printDatadataNum+=msg;OutputFactory，简单工厂类public Output getPrinterOutput(String type)if(type.equalsIgnoreCase(better)return new BetterPrinter();第5页，共21页 else return new Printer();Computerpublic class Computerprivate Output out;public Computer(Output out)this.out=out;/定义一个模拟获取字符串输入的方法public void keyIn(String msg)out.getData(msg);/定义一个模拟打印的方法public void print()out.out();public static void main(String args)/创建OutputFactoryOutputFactory of=new OutputFactory();/将Output对象传入，创建Computer对象Computer c=new Computer(of.getPrinterOutput(normal);c.keyIn(建筑永恒之道);c.keyIn(建筑模式语言);c.print();c=new Computer(of.getPrinterOutput(better);c.keyIn(建筑永恒之道);c.keyIn(建筑模式语言);c.print();使用简单工厂模式的优势：让对象的调用者和对象创建过程分离，当对象调用者需要对象时，直接向工厂请求即可。从而避免了对象的调用者与对象的实现类以硬编码方式耦合，以提高系统的可维护性、可扩展性。工厂模式也有一个小小的缺陷：当产品修改时，工厂类也要做相应的修改。第6页，共21页3.3.工厂方法(Factory Method)和抽象工厂(Abstract Factory)如果我们不想在工厂类中进行逻辑判断，程序可以为不同产品类提供不同的工厂，不同的工厂类和产不同的产品。当使用工厂方法设计模式时，对象调用者需要与具体的工厂类耦合，如：/工厂类的定义 1public class BetterPrinterFactoryimplements OutputFactorypublic Output getOutput()/该工厂只负责产生BetterPrinter对象return new BetterPrinter();/工厂类的定义 2public class PrinterFactoryimplements OutputFactorypublic Output getOutput()/该工厂只负责产生Printer对象return new Printer();/工厂类的调用/OutputFactory of=new BetterPrinterFactory();OutputFactory of=new PrinterFactory();Computer c=new Computer(of.getOutput();使用简单工厂类，需要在工厂类里做逻辑判断。而工厂类虽然不用在工厂类做判断。但是带来了另一种耦合：客户端代码与不同的工厂类耦合。为了解决客户端代码与不同工厂类耦合的问题。在工厂类的基础上再增加一个工厂类，该工厂类不制造具体的被调用对象，而是制造不同工厂对象。如：/抽象工厂类的定义，在工厂类的基础上再建一个工厂类public class OutputFactoryFactory/仅定义一个方法用于返回输出设备。public static OutputFactory getOutputFactory(String type)if(type.equalsIgnoreCase(better)第7页，共21页return new BetterPrinterFactory();elsereturn new PrinterFactory();/抽象工厂类的调用OutputFactory of=OutputFactoryFactory.getOutputFactory(better);Computer c=new Computer(of.getOutput();3.4.代理模式(Proxy)代理模式是一种应用非常广泛的设计模式，当客户端代码需要调用某个对象时，客户端实际上不关心是否准确得到该对象，它只要一个能提供该功能的对象即可，此时我们就可返回该对象的代理（Proxy）。原对象接口客户端原对象代理对象代理就是一个 Java 对象代表另一个 Java 对象来采取行动。如：public class ImageProxy implements Image/组合一个image实例，作为被代理的对象private Image image;/使用抽象实体来初始化代理对象public ImageProxy(Image image)this.image=image;/*重写Image接口的show()方法*该方法用于控制对被代理对象的访问，*并根据需要负责创建和删除被代理对象*/public void show()第8页，共21页/只有当真正需要调用image的show方法时才创建被代理对象if(image=null)image=new BigImage();image.show();调用时，先不创建：Image image=new ImageProxy(null);Hibernate 默认启用延迟加载，当系统加载 A 实体时，A 实体关联的 B 实体并未被加载出来，A 实体所关联的 B 实体全部是代理对象只有等到 A 实体真正需要访问 B 实体时，系统才会去数据库里抓取 B 实体所对应的记录。借助于 Java 提供的 Proxy 和 InvocationHandler，可以实现在运行时生成动态代理运行时生成动态代理的功能，而动态代理对象就可以作为目标对象使用，而且增强了目标对象的功能。如：Pantherpublic interface Panther/info方法声明public void info();/run方法声明public void run();GunPantherpublic class GunPanther implements Panther/info方法实现，仅仅打印一个字符串public void info()System.out.println(我是一只猎豹！);/run方法实现，仅仅打印一个字符串public void run()System.out.println(我奔跑迅速);MyProxyFactory，创建代理对象public class MyProxyFactory/为指定target生成动态代理对象public static Object getProxy(Object target)throws Exception第9页，共21页/创建一个MyInvokationHandler对象MyInvokationHandler handler=new MyInvokationHandler();/为MyInvokationHandler设置target对象handler.setTarget(target);/创建、并返回一个动态代理return Proxy.newProxyInstance(target.getClass().getClassLoader(),target.getClass().getInterfaces(),handler);MyInvokationHandler，增强代理的功能public class MyInvokationHandler implements InvocationHandler/需要被代理的对象private Object target;public void setTarget(Object target)this.target=target;/执行动态代理对象的所有方法时，都会被替换成执行如下的invoke方法public Object invoke(Object proxy,Method method,Object args)throws ExceptionTxUtil tx=new TxUtil();/执行TxUtil对象中的beginTx。tx.beginTx();/以target作为主调来执行method方法Object result=method.invoke(target,args);/执行TxUtil对象中的endTx。tx.endTx();return result;TxUtilpublic class TxUtil/第一个拦截器方法:模拟事务开始public void beginTx()System.out.println(=模拟开始事务=);/第二个拦截器方法:模拟事务结束public void endTx()第10页，共21页System.out.println(=模拟结束事务=);测试public static void main(String args)throws Exception/创建一个原始的GunDog对象，作为targetPanther target=new GunPanther();/以指定的target来创建动态代理Panther panther=(Panther)MyProxyFactory.getProxy(target);/调用代理对象的info()和run()方法panther.info();panther.run();Spring 所创建的 AOP 代理就是这种动态代理。但是 Spring AOP 更灵活。3.5.命令模式(Command)某个方法需要完成某一个功能，完成这个功能的大部分步骤已经确定了，但可能有少量具体步骤无法确定，必须等到执行该方法时才可以确定。（在某些编程语言如 Ruby、Perl 里，允许传入一个代码块作为参数。但 Jara 暂时还不支持代码块作为参数）。在 Java 中，传入该方法的是一个对象，该对象通常是某个接口的匿名实现类的实例，该接口通常被称为命令接口，这种设计方式也被称为命令模式。命令接口通用方法预留方法使用者调用命令实现如：Commandpublic interface Command/接口里定义的process方法用于封装“处理行为”void process(int target);ProcessArraypublic class ProcessArray/定义一个each()方法，用于处理数组，第11页，共21页public void each(int target,Command cmd)cmd.process(target);TestCommandpublic class TestCommandpublic static void main(String args)ProcessArray pa=new ProcessArray();int target=3,-4,6,4;/第一次处理数组，具体处理行为取决于Command对象pa.each(target,new Command()/重写process()方法，决定具体的处理行为public void process(int target)for(int tmp:target)System.out.println(迭代输出目标数组的元素:+tmp););System.out.println(-);/第二次处理数组，具体处理行为取决于Command对象pa.each(target,new Command()/重写process方法，决定具体的处理行为public void process(int target)int sum=0;for(int tmp:target)sum+=tmp;System.out.println(数组元素的总和是:+sum););HibernateTemplate 使用了 executeXxx()方法弥补了 HibernateTemplate 的不足，该方法需要接受一个 HibernateCallback 接口，该接口的代码如下：第12页，共21页public interface HibernateCallbackObject doInHibernate(Session session);3.6.策略模式(Strategy)策略模式用于封装系列的算法，这些算法通常被封装在一个被称为 Context 的类中，客户端程序可以自由选择其中一种算法，或让 Context 为客户端选择一种最佳算法使用策略模式的优势是为了支持算法的自由切换。策略接口策略1策略2策略3Context(上下文)客户端DiscountStrategy，折扣方法接口public interface DiscountStrategy/定义一个用于计算打折价的方法double getDiscount(double originPrice);OldDiscount，旧书打折算法public class OldDiscount implements DiscountStrategy/重写getDiscount()方法，提供旧书打折算法public double getDiscount(double originPrice)System.out.println(使用旧书折扣.);return originPrice*0.7;VipDiscount，VIP 打折算法/实现DiscountStrategy接口，实现对VIP打折的算法public class VipDiscount implements DiscountStrategy/重写getDiscount()方法，提供VIP打折算法public double getDiscount(double originPrice)System.out.println(使用VIP折扣.);return originPrice*0.5;策略定义第13页，共21页public class DiscountContext/组合一个DiscountStrategy对象private DiscountStrategy strategy;/构造器，传入一个DiscountStrategy对象public DiscountContext(DiscountStrategy strategy)this.strategy =strategy;/根据实际所使用的DiscountStrategy对象得到折扣价public double getDiscountPrice(double price)/如果strategy为null，系统自动选择OldDiscount类if(strategy=null)strategy=new OldDiscount();return this.strategy.getDiscount(price);/提供切换算法的方法public void setDiscount(DiscountStrategy strategy)this.strategy=strategy;测试public static void main(String args)/客户端没有选择打折策略类DiscountContext dc=new DiscountContext(null);double price1=79;/使用默认的打折策略System.out.println(79元的书默认打折后的价格是：+dc.getDiscountPrice(price1);/客户端选择合适的VIP打折策略dc.setDiscount(new VipDiscount();double price2=89;/使用VIP打折得到打折价格System.out.println(89元的书对VIP用户的价格是：+dc.getDiscountPrice(price2);使用策略模式可以让客户端代码在不同的打折策略之间切换，但也有一个小小的遗憾：客户端代码需要和不同的策略耦合。为了弥补这个不足，我们可以考虑使用配置文件来指定 DiscountContext 使用哪种打折策略这就彻底分离客户端代码和具体打折策略类。第14页，共21页3.7.门面模式(Facade)随着系统的不断改进和开发，它们会变得越来越复杂，系统会生成大量的类，这使得程序流程更难被理解。门面模式可为这些类提供一个简化的接口，从而简化访问这些类的复杂性。门面模式（Facade）也被称为正面模式、外观模式，这种模式用于将一组复杂的类包装到一个简单的外部接口中。流程流程2流程3流程4门面客户端原来的方式/依次创建三个部门实例Payment pay=new PaymentImpl();Cook cook=new CookImpl();Waiter waiter=new WaiterImpl();/依次调用三个部门实例的方法来实现用餐功能String food=pay.pay();food=cook.cook(food);waiter.serve(food);门面模式public class Facade/定义被Facade封装的三个部门Payment pay;Cook cook;Waiter waiter;/构造器public Facade()this.pay=new PaymentImpl();this.cook=new CookImpl();this.waiter=new WaiterImpl();第15页，共21页public void serveFood()/依次调用三个部门的方法，封装成一个serveFood()方法String food=pay.pay();food=cook.cook(food);waiter.serve(food);门面模式调用Facade f=new Facade();f.serveFood();3.8.桥接模式(Bridge)由于实际的需要，某个类具有两个以上的维度变化，如果只是使用继承将无法实现这种需要，或者使得设计变得相当臃肿。而桥接模式的做法是把变化部分抽象出来把变化部分抽象出来，使变化部分与主类分离开来，从而将多个的变化彻底分离。最后提供一个管理类来组合不同维度上的变化提供一个管理类来组合不同维度上的变化，通过这种组合来满足业务的需要。维1接口维1.1维1.2维1.3维2.1维2.2维2.3维桥梁继承继承继承客户端New 维2.1(维1.1)New 维2.1(维1.2)New 维2.3(维1.3)Peppery 口味风格接口：public interface PepperyString style();口味之一public class PepperySytle implements Peppery第16页，共21页/实现辣味风格的方法public String style()return 辣味很重，很过瘾.;口味之二public class PlainStyle implements Peppery/实现不辣风格的方法public String style()return 味道清淡，很养胃.;口味的桥梁public abstract class AbstractNoodle/组合一个Peppery变量，用于将该维度的变化独立出来protected Peppery style;/每份Noodle必须组合一个Peppery对象public AbstractNoodle(Peppery style)this.style=style;public abstract void eat();材料之一，继承口味public class PorkyNoodle extends AbstractNoodlepublic PorkyNoodle(Peppery style)super(style);/实现eat()抽象方法public void eat()System.out.println(这是一碗稍嫌油腻的猪肉面条。+super.style.style();材料之二，继承口味public class BeefMoodle extends AbstractNoodle第17页，共21页public BeefMoodle(Peppery style)super(style);/实现eat()抽象方法public void eat()System.out.println(这是一碗美味的牛肉面条。+super.style.style();主程序public class Testpublic static void main(String args)/下面将得到“辣味”的牛肉面AbstractNoodle noodle1=new BeefMoodle(new PepperySytle();noodle1.eat();/下面将得到“不辣”的牛肉面AbstractNoodle noodle2=new BeefMoodle(new PlainStyle();noodle2.eat();/下面将得到“辣味”的猪肉面AbstractNoodle noodle3=new PorkyNoodle(new PepperySytle();noodle3.eat();/下面将得到“不辣”的猪肉面AbstractNoodle noodle4=new PorkyNoodle(new PlainStyle();noodle4.eat();Java EE 应用中常见的 DAO 模式正是桥接模式的应用。实际上，一个设计优良的项目，本身就是设计模式最好的教科书，例如 Spring 框架，当你深入阅读其源代码时，你会发现这个框架处处充满了设计模式的应用场景。3.9.观察者模式(Observer)观察者模式定义了对象间的一对多依赖关系，让一个或多个观察者对象观察一个主题对象。当主题对象的状态发生变化时，系统能通知所有的依赖于此对象的观察者对象，从而使得观察者对象能够自动更新。第18页，共21页在观察者模式中，被观察的对象常常也被称为目标或主题（Subject），依赖的对象被称为观察者（Observer）。观察者接口(java.util可提供)观察者1观察者2观察者3目标目标抽象类(java.util可提供)调用继承目标发生变化时，通知观察者目标发生变化时，通知观察者目标发生变化时，通知观察者Observer，观察者接口：public interface Observer void update(Observable o,Object arg);Observable，目标或主题：import java.util.ArrayList;import java.util.List;import java.util.Iterator;public abstract class Observable/用一个List来保存该对象上所有绑定的事件监听器List observers=new ArrayList();/定义一个方法，用于从该主题上注册观察者public void registObserver(Observer o)observers.add(o);/定义一个方法，用于从该主题中删除观察者public void removeObserver(Observer o)observers.add(o);/通知该主题上注册的所有观察者public void notifyObservers(Object value)/遍历注册到该被观察者上的所有观察者for(Iterator it=observers.iterator();it.hasNext();)Observer o=(Observer)it.next();/显式每个观察者的update方法o.update(this,value);第19页，共21页Product 被观察类：public class Product extends Observable/定义两个属性private String name;private double price;/无参数的构造器public Product()public Product(String name,double price)this.name=name;this.price=price;public String getName()return name;/当程序调用name的setter方法来修改Product的name属性时/程序自然触发该对象上注册的所有观察者public void setName(String name)this.name=name;notifyObservers(name);public double getPrice()return price;/当程序调用price的setter方法来修改Product的price属性时/程序自然触发该对象上注册的所有观察者public void setPrice(double price)this.price=price;notifyObservers(price);NameObserver 名称观察者：import javax.swing.JFrame;import javax.swing.JLabel;第20页，共21页public class NameObserver implements Observer/实现观察者必须实现的update方法public void update(Observable o,Object arg)if(arg instanceof String)/产品名称改变值在name中String name=(String)arg;/启动一个JFrame窗口来显示被观察对象的状态改变JFrame f=new JFrame(观察者);JLabel l=new JLabel(名称改变为：+name);f.add(l);f.pack();f.setVisible(true);System.out.println(名称观察者:+o+物品名称已经改变为:+name);PriceObserver 价格观察者：public class PriceObserver implements Observer/实现观察者必须实现的update方法public void update(Observable o,Object arg)if(arg instanceof Double)System.out.println(价格观察者:+o+物品价格已经改变为:+arg);测试：public class Test public static void main(String args)/创建一个被观察者对象Product p=new Product(电视机,176);/创建两个观察者对象NameObserver no=new NameObserver();PriceObserver po=new PriceObserver();/向被观察对象上注册两个观察者对象p.registObserver(no);p.registObserver(po);/程序调用setter方法来改变Product的name和price属性p.setName(书桌);p.setPrice(345f);其中 Java 工具类提供了被观察者抽象基类：java.util.Observable。观察者接口：java.util.Observer。第21页，共21页我们可以把观察者接口理解成事件监听接口，而被观察者对象也可当成事件源处理换个角度来思考：监听，观察，这两个词语之间有本质的区别吗？Java 事件机制的底层实现，本身就是通过观察者模式来实现的。除此之外，主题/订阅模式下的 JMS 本身就是观察者模式的应用。