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：它表示了一个特定环境、一类问题和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的问题，以及该问题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（并不是23种设计模式之一）、工厂方法、抽象工厂模式、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、组合器模式、装饰器模式、门面模式、亨元模式和代理模式。
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、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、状态模式、策略模式、模板模式和访问者模式。
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。
|
publicclass Singleton {
publicstaticvoid 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true
System.out.println(s1 == s2);
}
//使用一个变量来缓存曾经创建的实例
privatestatic 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
publicstatic 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();
}
returninstance;
}
}
|
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。
3.2. 简单工厂(StaticFactoryMethod)
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。
Output，接口
|
publicinterface Output
{
//接口里定义的属性只能是常量
intMAX_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Output
publicclass Printer implements Output
{
private String[] printData = new String[MAX_CACHE_LINE];
//用以记录当前需打印的作业数
privateintdataNum = 0;
publicvoid out()
{
//只要还有作业，继续打印
while(dataNum > 0)
{
System.out.println("打印机打印：" + printData[0]);
//把作业队列整体前移一位，并将剩下的作业数减1
System.arraycopy(printData , 1, printData, 0, --dataNum);
}
}
publicvoid getData(String msg)
{
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。
printData[dataNum++] = msg;
}
}
}
|
BetterPrinter，Output的一个实现
|
publicclass BetterPrinter implements Output
{
private String[] printData = new String[MAX_CACHE_LINE * 2];
//用以记录当前需打印的作业数
privateintdataNum = 0;
publicvoid 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：" + printData[0]);
//把作业队列整体前移一位，并将剩下的作业数减1
System.arraycopy(printData , 1, printData, 0, --dataNum);
}
}
publicvoid 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。
printData[dataNum++] = msg;
}
}
}
|
OutputFactory，简单工厂类
|
public Output getPrinterOutput(String type) {
if (type.equalsIgnoreCase("better")) {
returnnew BetterPrinter();
} else {
returnnew Printer();
}
}
|
Computer
|
publicclass Computer
{
private 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
publicvoid keyIn(String msg)
{
out.getData(msg);
}
//定义一个模拟打印的方法
publicvoid print()
{
out.out();
}
publicstaticvoid main(String[] args)
{
//创建OutputFactory
OutputFactory 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。
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1
publicclass BetterPrinterFactory
implements OutputFactory
{
public Output getOutput()
{
//该工厂只负责产生BetterPrinter对象
returnnew BetterPrinter();
}
}
//工厂类的定义2
publicclass PrinterFactory
implements OutputFactory
{
public Output getOutput()
{
//该工厂只负责产生Printer对象
returnnew 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
publicclass OutputFactoryFactory
{
//仅定义一个方法用于返回输出设备。
publicstatic OutputFactory getOutputFactory(
String type)
{
if (type.equalsIgnoreCase("better"))
{
returnnew BetterPrinterFactory();
}
else
{
returnnew 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）。
代理就是一个Java对象代表另一个Java对象来采取行动。如：
|
publicclass 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
*/
publicvoid show()
{
//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：
Panther
|
publicinterface Panther
{
//info方法声明
publicvoid info();
//run方法声明
publicvoid run();
}
|
GunPanther
|
publicclass GunPanther implements Panther
{
//info方法实现，仅仅打印一个字符串
publicvoid info()
{
System.out.println("我是一只猎豹！");
}
//run方法实现，仅仅打印一个字符串
publicvoid run()
{
System.out.println("我奔跑迅速");
}
}
|
MyProxyFactory，创建代理对象
|
publicclass MyProxyFactory
{
//为指定target生成动态代理对象
publicstatic Object getProxy(Object target)
throws Exception
{
//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
|
publicclass MyInvokationHandler implements InvocationHandler
{
//需要被代理的对象
private Object target;
publicvoid 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 Exception
{
TxUtil 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;
}
}
|
TxUtil
|
publicclass TxUtil
{
//第一个拦截器方法:模拟事务开始
publicvoid beginTx()
{
System.out.println("=====模拟开始事务=====");
}
//第二个拦截器方法:模拟事务结束
publicvoid endTx()
{
System.out.println("=====模拟结束事务=====");
}
}
|
测试
|
publicstaticvoid main(String[] args)
throws Exception
{
//创建一个原始的GunDog对象，作为target
Panther 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。
如：
Command
|
publicinterface Command
{
//接口里定义的process方法用于封装“处理行为”
void process(int[] target);
}
|
ProcessArray
|
publicclass ProcessArray
{
//定义一个each()方法，用于处理数组，
publicvoid each(int[] target , Command cmd)
{
cmd.process(target);
}
}
|
TestCommand
|
publicclass TestCommand
{
publicstaticvoid 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
publicvoid 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
publicvoid 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：
|
public interface HibernateCallback
{
Object 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。
DiscountStrategy，折扣方法接口
|
publicinterface 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
|
publicclass OldDiscount implements DiscountStrategy {
// 重写getDiscount()方法，提供旧书打折算法
publicdouble 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
publicclass VipDiscount implements DiscountStrategy {
// 重写getDiscount()方法，提供VIP打折算法
publicdouble getDiscount(double originPrice) {
System.out.println("使用VIP折扣...");
return originPrice * 0.5;
}
}
|
策略定义
|
publicclass 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
publicdouble getDiscountPrice(double price)
{
//如果strategy为null，系统自动选择OldDiscount类
if (strategy == null)
{
strategy = new OldDiscount();
}
returnthis.strategy.getDiscount(price);
}
//提供切换算法的方法
publicvoid setDiscount(DiscountStrategy strategy)
{
this.strategy = strategy;
}
}
|
测试
|
publicstaticvoid 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。
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。
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
|
publicclass 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();
}
publicvoid 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，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，通过这种组合来满足业务的需要。
Peppery口味风格接口：
|
publicinterface Peppery
{
String style();
}
|
口味之一
|
publicclass PepperySytle implements Peppery
{
//实现"辣味"风格的方法
public String style()
{
return"辣味很重，很过瘾...";
}
}
|
口味之二
|
publicclass 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
|
publicabstractclass 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;
}
publicabstractvoid eat();
}
|
材料之一，继承口味
|
publicclass PorkyNoodle extends AbstractNoodle
{
public PorkyNoodle(Peppery style)
{
super(style);
}
//实现eat()抽象方法
publicvoid 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
|
publicclass BeefMoodle extends AbstractNoodle
{
public BeefMoodle(Peppery style)
{
super(style);
}
//实现eat()抽象方法
publicvoid eat()
{
System.out.println("这是一碗美味的牛肉面条。"
+ super.style.style());
}
}
|
主程序
|
publicclass Test
{
publicstaticvoid 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。
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）。
Observer，观察者接口：
|
publicinterface 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;
publicabstractclass Observable {
// 用一个List来保存该对象上所有绑定的事件监听器
List<Observer> observers = new ArrayList<Observer>();
// 定义一个方法，用于从该主题上注册观察者
publicvoid registObserver(Observer o) {
observers.add(o);
}
// 定义一个方法，用于从该主题中删除观察者
publicvoid removeObserver(Observer o) {
observers.add(o);
}
// 通知该主题上注册的所有观察者
publicvoid 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);
}
}
}
|
Product被观察类：
|
publicclass Product extends Observable {
// 定义两个属性
private String name;
privatedoubleprice;
// 无参数的构造器
public Product() {
}
public Product(String name, double price) {
this.name = name;
this.price = price;
}
public String getName() {
returnname;
}
// 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
publicvoid setName(String name) {
this.name = name;
notifyObservers(name);
}
publicdouble getPrice() {
returnprice;
}
// 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
publicvoid setPrice(double price) {
this.price = price;
notifyObservers(price);
}
}
|
NameObserver名称观察者：
|
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JLabel;
publicclass NameObserver implements Observer {
// 实现观察者必须实现的update方法
publicvoid 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：
|
publicclass PriceObserver implements Observer {
// 实现观察者必须实现的update方法
publicvoid 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：
|
publicclass Test {
publicstaticvoid 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。
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。
(zhubo22) |
