【Java设计模式】序：设计模式总体概述

什么是设计模式

• 设计模式（Design Pattern）是前辈们对代码开发经验的总结，是解决特定问题的一系列套路。它不是语法规定，而是一套用来提高代码可复用性、可维护性、可读性、稳健性以及安全性的解决方案.
• 1995 年，GoF（Gang of Four，四人组/四人帮）合作出版了《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书，共收录了 23 种设计模式，从此树立了软件设计模式领域的里程碑，人称「GoF设计模式」
• 这 23 种设计模式的本质是面向对象设计原则的实际运用，是对类的封装性、继承性和多态性，以及类的关联关系和组合关系的充分理解。

设计模式的分类

总体来说设计模式分为三大类：

1 创建型模式

创建型模式主要用于创建对象。.主要关注点是“怎样创建对象”，它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节。
创建型模式分为以下5种：

1.1. 单例（Singleton）

• 某个类只能生成一个实例，该类提供了一个全局访问点供外部获取该实例，其拓展是有限多例模式。
• Tomcat中StringManager的错误处理机制

1.2 原型（Prototype）

• 将一个对象作为原型，通过对其进行复制而克隆出多个和原型类似的新实例。
• 复制对象，包括深度复制和浅度复制，深度复制重建引用对象，浅度复制不创建
• 经典案例：java序列化

1.3 工厂方法（FactoryMethod）

• 定义一个用于创建产品的接口，由子类决定生产什么产品。
• 很多框架初始化时都会创建一个工厂对象，用来加载资源

1.4 抽象工厂（AbstractFactory）

• 提供一个创建产品族的接口，其每个子类可以生产一系列相关的产品。
• 抽象工厂实例创建对象，工厂可修改，灵活度高
• Struts2插件机制的核心实现就是BeanFactory这个抽象工厂
• Spring IOC加载Bean，AOP创建Proxy

1.5 建造者（Builder）

• 将一个复杂对象分解成多个相对简单的部分，然后根据不同需要分别创建它们，最后构建成该复杂对象。
• 一步一步创建一个复杂的对象
• MyBatis中的SQLSession就是结合了Configure，executor等对象，以此来实现SQLSession的复杂功能

2 结构型模式

结构型模式主要用于处理类或对象的组合。.结构型模式描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构。分为类结构型模式（采用继承机制来组织接口和类）和对象结构型模式（釆用组合或聚合来组合对象）。
结构型模式分为以下 7 种：

2.1 代理（Proxy）

• 为某对象提供一种代理以控制对该对象的访问。即：客户端通过代理间接地访问该对象，从而限制、增强或修改该对象的一些特性。
• 通过添加中间代理的方式限制，过滤，修改被代理类的某些行为
• Spring AOP核心实现
• DataSource中为Connection创建代理对象，改变close方法的行为，使其从开始的关闭连接变成将连接还回连接池

2.2 适配器（Adapter）

• 将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类能一起工作。
• 通过实现接口，依赖注入，继承等方式为不相关的实体建立关系
• Tomcat新版本连接器Coyote，就是通过为Connector适配建立了ProtocolHandler与Tomcat组件Connector的关联关系
• JDK SET集合

2.3 桥接（Bridge）

• 将抽象与实现分离，使它们可以独立变化。它是用组合关系代替继承关系来实现的，从而降低了抽象和实现这两个可变维度的耦合度。
• 将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化
• 经典案例：JDBC驱动

2.4 装饰器（Decorator）

• 动态地给对象增加一些职责，即：增加其额外的功能。
• 创建包装对象修饰扩展被包装对象的功能
• JDK IO家族中BufferedXxx

2.5 门面/外观（Facade）

• 为多个复杂的子系统提供一个一致的接口，使这些子系统更加容易被访问。
• 通过外观的包装，使应用程序只能看到外观对象，而不会看到具体的细节对象。
• Tomcat中创建外观类包装StandardContext传给Wrapper，创建外观类包装Wrapper以ServletConfiguration的形式传给Servlet，以此来屏蔽不想让Servlet可见的那些Tomcat容器参数

2.6 享元（Flyweight）

• 运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。
• 维护资源集合
• 数据库连接池，避免重新开启数据库链接的开销

2.7 组合（Composite）

• 将对象组合成树状层次结构，使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性。
• 部分与整体，常用于表示树形结构

3 行为型模式

行为型模式主要用于描述对类或对象怎样交互和怎样分配职责。 行为型模式用于描述程序在运行时复杂的流程控制，即：描述多个类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象都无法单独完成的任务，它涉及算法与对象间职责的分配。

行为型模式分为类行为模式（采用继承机制来在类间分派行为）和对象行为模式（采用组合或聚合在对象间分配行为）。由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象行为模式比类行为模式具有更大的灵活性。

行为型模式分为以下 11 种:

3.1 模板方法（Template Method）

• 定义一个操作中的算法骨架，将算法的一些步骤延迟到子类中，使得子类在可以不改变该算法结构的情况下重定义该算法的某些特定步骤。
• 父类定义公共方法，不同子类重写父类抽象方法，得到不同结果
• Tomcat生命周期中的init，SpringIOC上层类加载具体子类指定服务器托管的配置文件、SpringData XXTemplate、JDK AQS同步器

3.2策略模式（Strategy）

• 定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以相互替换，且算法的改变不会影响使用算法的客户。
• 定义多个不同的实现类，这些类实现公共接口，通过调用接口调用不同实例得到不同结果
• Spring中Bean的定义与注入，Controller，Servcie，repository三层架构中只依赖上一层接口

3.3 命令（Command）

• 将一个请求封装为一个对象，使发出请求的责任和执行请求的责任分割开。
• Action定义具体命令，拦截器Invocation回调执行命令
• 例如：当需要支持事务操作，可以使用命令模式将一系列相关的操作封装成一个命令对象，保证这些操作要么全部执行成功，要么全部执行失败

3.4 责任链（Chain of Responsibility）

• 把请求从链中的一个对象传到下一个对象，直到请求被响应为止。通过这种方式去除对象之间的耦合。
• 链式依赖，依次调用
• 经典案例：Tomcat Valve

3.5 状态模式（State）

• 允许一个对象在其内部状态发生改变时改变其行为能力。
• 通过改变状态，改变行为
• 例如：切换装载着不同配置信息的配置文件对象

3.6 观察者模式（Observer）

• 多个对象间存在一对多关系，当一个对象发生改变时，把这种改变通知给其他多个对象，从而影响其他对象的行为。
• 目标方法被调用，通知所有观察者
• Tomcat生命周期事件监听，Spring BeanPostProcessor实现

3.7 中介者（Mediator）

• 定义一个中介对象来简化原有对象之间的交互关系，降低系统中对象间的耦合度，使原有对象之间不必相互了解。
• MVC 框架，其中C（控制器）就是 M（模型）和 V（视图）的中介者

3.8 迭代器（Iterator）

• 提供一种方法来顺序访问聚合对象中的一系列数据，而不暴露聚合对象的内部表示。
• 提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。
• 经典案例：JDK Iterator集合迭代器

3.9 访问者（Visitor）

• 在不改变集合元素的前提下，为一个集合中的每个元素提供多种访问方式，即每个元素有多个访问者对象访问。
• 结构与操作解耦。
• 灵活的操作，放入固定的结构中执行
• 例如：在SpringAOP的实现过程中首先会有一个ProxyCreator去创建切入点，通知之类的，然后创建一个抽象工厂将这些参数对象传递给抽象工厂，抽象工厂调用createAopProxy(this)来创建对象，传入不同的抽象工厂创建出不同的实体对象

3.10 备忘录（Memento）

• 在不破坏封装性的前提下，获取并保存一个对象的内部状态，以便以后恢复它。
• 建立原始对象副本，用于存储恢复原始对象数据
• 例如：需要保存历史快照的场景：希望在对象之外保存状态，且除了自己其他类对象无法访问状态保存具体内容。

3.11 解释器（Interpreter）

• 提供如何定义语言的文法，以及对语言句子的解释方法，即解释器。
• 例如：对某一领域语言的解释，如 SQL 语句、正则表达式等、对一类问题重复出现的情况进行处理，如数学表达式计算、需要实现语法规则简单而易于修改的场景。

上述三大类的各自使用场景总结

创建型

• 创建某个或者某些或者某类对象使用，考虑使用创建型设计模式
• 这些设计模式提供了一种在创建对象的同时隐藏创建逻辑的方式，而不是使用 new 运算符直接实例化对象。
• 这使得程序在判断针对某个给定实例需要创建哪些对象时更加灵活。

结构型

• 对象和类之间的关系组合，复杂的设计或许能够支撑业务的扩展，但维护成本大大增加。
• 简单的设计或许能够节约开发成本，但是面对业务的徒增，扩展性太差。
• 考虑类和对象之间的组合关系使用结构型设计模式或许能够解决问题，这些设计模式关注类和对象的组合。

服务器托管

• 继承的概念被用来组合接口和定义组合对象获得新功能的方式。

行为型

• 对象的行为交互（方法调用/回调）功能需要设计，考虑使用行为型设计模式， 这些设计模式特别关注对象之间的通信。

设计模式的基本要素

1.模式名称

每个设计模式都有一个简洁的名称，用于描述问题、解决方案和效果。这个名称有助于在交流中快速指代模式。

2.问题

描述了在什么情况下应该考虑使用特定的设计模式。问题部分阐述了该模式试图解决的具体设计难题。

3.解决方案

解决方案部分提供了一个详细的设计指南，描述了如何组织类、对象以及它们之间的关系，以解决特定问题。这包括了每个角色的职责、协作方式等。

4.效果

描述了模式应用的效果及使用模式应权衡的问题。

设计模式的六大原则

设计原则	解释	目的
开闭原则	对扩展开放，对修改关闭	降低维护带来的新风险
依赖倒置原则	高层不应该依赖低层，要面向接口编程	更利于代码结构的升级扩展
单一职责原则	一个类只干一件事，实现类要单一	便于理解，提高代码的可读性
接口隔离原则	一个接口只干一件事，接口要精简单一	功能解耦，高聚合、低耦合
迪米特法则	不该知道的不要知道，一个类应该保持对其它对象最少的了解，降低耦合度	只和朋友交流，不和陌生人说话，减少代码臃肿
里氏替换原则	不要破坏继承体系，子类重写方法功能发生改变，不应该影响父类方法的含义	防止继承泛滥
合成复用原则	尽量使用组合或者聚合关系实现代码复用，少使用继承	降低代码耦合

这些原则的目的只有一个：降低对象之间的耦合，增加程序的可复用性、可扩展性和可维护性。

记忆口诀：

访问加限制，函数要节俭，依赖不允许，动态加接口，父类要抽象，扩展不更改。

在程序设计时，我们应该将程序功能最小化，每个类只干一件事。若有类似功能基础之上添加新功能，则要合理使用继承。对于多方法的调用，要会运用接口，同时合理设置接口功能与数量。最后类与类之间做到低耦合高内聚。

1.开闭原则（Open Close Principle）

• 开闭原则就是说对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。
• 所以一句话概括就是：为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类，后面的具体设计中我们会提到这点。

2.里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）

• 里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。
• 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。
• LSP是继承复用的基石，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。
• 里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。
• 而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。

3.依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）

这个是开闭原则的基础，具体内容：真对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。

4.接口隔离原则（Interface Segregation Principle）

• 这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思
• 从这儿我们看出，其实设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。
• 所以上文中多次出现：降低依赖，降低耦合。

5.迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）

为什么叫最少知道原则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。

6.合成复用原则（Composite Reuse Principle）

原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

各模式之间的关系

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