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初探Java设计模式1:创建型模式(工厂,单例等)

Java 设计模式

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一直想写一篇介绍设计模式的文章,让读者可以很快看完,而且一看就懂,看懂就会用,同时不会将各个模式搞混。自认为本文还是写得不错的,花了不少心思来写这文章和做图,力求让读者真的能看着简单同时有所收获。

设计模式是对大家实际工作中写的各种代码进行高层次抽象的总结,其中最出名的当属 Gang of Four (GoF) 的分类了,他们将设计模式分类为 23 种经典的模式,根据用途我们又可以分为三大类,分别为创建型模式、结构型模式和行为型模式。是的,我不善于扯这些有的没的,还是少点废话吧~~~

有一些重要的设计原则在开篇和大家分享下,这些原则将贯通全文:

  1. 面向接口编程,而不是面向实现。这个很重要,也是优雅的、可扩展的代码的第一步,这就不需要多说了吧。
  2. 职责单一原则。每个类都应该只有一个单一的功能,并且该功能应该由这个类完全封装起来。
  3. 对修改关闭,对扩展开放。对修改关闭是说,我们辛辛苦苦加班写出来的代码,该实现的功能和该修复的 bug 都完成了,别人可不能说改就改;对扩展开放就比较好理解了,也就是说在我们写好的代码基础上,很容易实现扩展。

目录

创建型模式

创建型模式的作用就是创建对象,说到创建一个对象,最熟悉的就是 new 一个对象,然后 set 相关属性。但是,在很多场景下,我们需要给客户端提供更加友好的创建对象的方式,尤其是那种我们定义了类,但是需要提供给其他开发者用的时候。

简单工厂模式

和名字一样简单,非常简单,直接上代码吧:

public class FoodFactory {

    public static Food makeFood(String name) {
        if (name.equals("noodle")) {
            Food noodle = new LanZhouNoodle();
            noodle.addSpicy("more");
            return noodle;
        } else if (name.equals("chicken")) {
            Food chicken = new HuangMenChicken();
            chicken.addCondiment("potato");
            return chicken;
        } else {
            return null;
        }
    }
}

其中,LanZhouNoodle 和 HuangMenChicken 都继承自 Food。

简单地说,简单工厂模式通常就是这样,一个工厂类 XxxFactory,里面有一个静态方法,根据我们不同的参数,返回不同的派生自同一个父类(或实现同一接口)的实例对象。

我们强调职责单一原则,一个类只提供一种功能,FoodFactory 的功能就是只要负责生产各种 Food。

工厂模式

简单工厂模式很简单,如果它能满足我们的需要,我觉得就不要折腾了。之所以需要引入工厂模式,是因为我们往往需要使用两个或两个以上的工厂。

public interface FoodFactory {
    Food makeFood(String name);
}
public class ChineseFoodFactory implements FoodFactory {

    @Override
    public Food makeFood(String name) {
        if (name.equals("A")) {
            return new ChineseFoodA();
        } else if (name.equals("B")) {
            return new ChineseFoodB();
        } else {
            return null;
        }
    }
}
public class AmericanFoodFactory implements FoodFactory {

    @Override
    public Food makeFood(String name) {
        if (name.equals("A")) {
            return new AmericanFoodA();
        } else if (name.equals("B")) {
            return new AmericanFoodB();
        } else {
            return null;
        }
    }
}

其中,ChineseFoodA、ChineseFoodB、AmericanFoodA、AmericanFoodB 都派生自 Food。

客户端调用:

public class APP {
    public static void main(String[] args) {
        // 先选择一个具体的工厂
        FoodFactory factory = new ChineseFoodFactory();
        // 由第一步的工厂产生具体的对象,不同的工厂造出不一样的对象
        Food food = factory.makeFood("A");
    }
}

虽然都是调用 makeFood("A") 制作 A 类食物,但是,不同的工厂生产出来的完全不一样。

第一步,我们需要选取合适的工厂,然后第二步基本上和简单工厂一样。

核心在于,我们需要在第一步选好我们需要的工厂。比如,我们有 LogFactory 接口,实现类有 FileLogFactory 和 KafkaLogFactory,分别对应将日志写入文件和写入 Kafka 中,显然,我们客户端第一步就需要决定到底要实例化 FileLogFactory 还是 KafkaLogFactory,这将决定之后的所有的操作。

虽然简单,不过我也把所有的构件都画到一张图上,这样读者看着比较清晰:

factory-1

抽象工厂模式

当涉及到产品族的时候,就需要引入抽象工厂模式了。

一个经典的例子是造一台电脑。我们先不引入抽象工厂模式,看看怎么实现。

因为电脑是由许多的构件组成的,我们将 CPU 和主板进行抽象,然后 CPU 由 CPUFactory 生产,主板由 MainBoardFactory 生产,然后,我们再将 CPU 和主板搭配起来组合在一起,如下图:

factory-1

这个时候的客户端调用是这样的:

// 得到 Intel 的 CPU
CPUFactory cpuFactory = new IntelCPUFactory();
CPU cpu = intelCPUFactory.makeCPU();

// 得到 AMD 的主板
MainBoardFactory mainBoardFactory = new AmdMainBoardFactory();
MainBoard mainBoard = mainBoardFactory.make();

// 组装 CPU 和主板
Computer computer = new Computer(cpu, mainBoard);

单独看 CPU 工厂和主板工厂,它们分别是前面我们说的工厂模式。这种方式也容易扩展,因为要给电脑加硬盘的话,只需要加一个 HardDiskFactory 和相应的实现即可,不需要修改现有的工厂。

但是,这种方式有一个问题,那就是如果 Intel 家产的 CPU 和 AMD 产的主板不能兼容使用,那么这代码就容易出错,因为客户端并不知道它们不兼容,也就会错误地出现随意组合。

下面就是我们要说的产品族的概念,它代表了组成某个产品的一系列附件的集合:

abstract-factory-2

当涉及到这种产品族的问题的时候,就需要抽象工厂模式来支持了。我们不再定义 CPU 工厂、主板工厂、硬盘工厂、显示屏工厂等等,我们直接定义电脑工厂,每个电脑工厂负责生产所有的设备,这样能保证肯定不存在兼容问题。

abstract-factory-3

这个时候,对于客户端来说,不再需要单独挑选 CPU厂商、主板厂商、硬盘厂商等,直接选择一家品牌工厂,品牌工厂会负责生产所有的东西,而且能保证肯定是兼容可用的。

public static void main(String[] args) {
    // 第一步就要选定一个“大厂”
    ComputerFactory cf = new AmdFactory();
    // 从这个大厂造 CPU
    CPU cpu = cf.makeCPU();
    // 从这个大厂造主板
    MainBoard board = cf.makeMainBoard();
      // 从这个大厂造硬盘
      HardDisk hardDisk = cf.makeHardDisk();

    // 将同一个厂子出来的 CPU、主板、硬盘组装在一起
    Computer result = new Computer(cpu, board, hardDisk);
}

当然,抽象工厂的问题也是显而易见的,比如我们要加个显示器,就需要修改所有的工厂,给所有的工厂都加上制造显示器的方法。这有点违反了对修改关闭,对扩展开放这个设计原则。

单例模式

单例模式用得最多,错得最多。

饿汉模式最简单:

public class Singleton {
    // 首先,将 new Singleton() 堵死
    private Singleton() {};
    // 创建私有静态实例,意味着这个类第一次使用的时候就会进行创建
    private static Singleton instance = new Singleton();

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    // 瞎写一个静态方法。这里想说的是,如果我们只是要调用 Singleton.getDate(...),
    // 本来是不想要生成 Singleton 实例的,不过没办法,已经生成了
    public static Date getDate(String mode) {return new Date();}
}

很多人都能说出饿汉模式的缺点,可是我觉得生产过程中,很少碰到这种情况:你定义了一个单例的类,不需要其实例,可是你却把一个或几个你会用到的静态方法塞到这个类中。

饱汉模式最容易出错:

public class Singleton {
    // 首先,也是先堵死 new Singleton() 这条路
    private Singleton() {}
    // 和饿汉模式相比,这边不需要先实例化出来,注意这里的 volatile,它是必须的
    private static volatile Singleton instance = null;

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                // 这一次判断也是必须的,不然会有并发问题
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

双重检查,指的是两次检查 instance 是否为 null。volatile 在这里是需要的,希望能引起读者的关注。很多人不知道怎么写,直接就在 getInstance() 方法签名上加上 synchronized,这就不多说了,性能太差。

嵌套类最经典,以后大家就用它吧:

public class Singleton3 {

    private Singleton3() {}
    // 主要是使用了 嵌套类可以访问外部类的静态属性和静态方法 的特性
    private static class Holder {
        private static Singleton3 instance = new Singleton3();
    }
    public static Singleton3 getInstance() {
        return Holder.instance;
    }
}

注意,很多人都会把这个嵌套类说成是静态内部类,严格地说,内部类和嵌套类是不一样的,它们能访问的外部类权限也是不一样的。

最后,一定有人跳出来说用枚举实现单例,是的没错,枚举类很特殊,它在类加载的时候会初始化里面的所有的实例,而且 JVM 保证了它们不会再被实例化,所以它天生就是单例的。不说了,读者自己看着办吧,不建议使用。

建造者模式

经常碰见的 XxxBuilder 的类,通常都是建造者模式的产物。建造者模式其实有很多的变种,但是对于客户端来说,我们的使用通常都是一个模式的:

Food food = new FoodBuilder().a().b().c().build();
Food food = Food.builder().a().b().c().build();

套路就是先 new 一个 Builder,然后可以链式地调用一堆方法,最后再调用一次 build() 方法,我们需要的对象就有了。

来一个中规中矩的建造者模式:

class User {
    // 下面是“一堆”的属性
    private String name;
    private String password;
    private String nickName;
    private int age;

    // 构造方法私有化,不然客户端就会直接调用构造方法了
    private User(String name, String password, String nickName, int age) {
        this.name = name;
        this.password = password;
        this.nickName = nickName;
        this.age = age;
    }
    // 静态方法,用于生成一个 Builder,这个不一定要有,不过写这个方法是一个很好的习惯,
    // 有些代码要求别人写 new User.UserBuilder().a()...build() 看上去就没那么好
    public static UserBuilder builder() {
        return new UserBuilder();
    }

    public static class UserBuilder {
        // 下面是和 User 一模一样的一堆属性
        private String  name;
        private String password;
        private String nickName;
        private int age;

        private UserBuilder() {
        }

        // 链式调用设置各个属性值,返回 this,即 UserBuilder
        public UserBuilder name(String name) {
            this.name = name;
            return this;
        }

        public UserBuilder password(String password) {
            this.password = password;
            return this;
        }

        public UserBuilder nickName(String nickName) {
            this.nickName = nickName;
            return this;
        }

        public UserBuilder age(int age) {
            this.age = age;
            return this;
        }

        // build() 方法负责将 UserBuilder 中设置好的属性“复制”到 User 中。
        // 当然,可以在 “复制” 之前做点检验
        public User build() {
            if (name == null || password == null) {
                throw new RuntimeException("用户名和密码必填");
            }
            if (age <= 0 || age >= 150) {
                throw new RuntimeException("年龄不合法");
            }
            // 还可以做赋予”默认值“的功能
              if (nickName == null) {
                nickName = name;
            }
            return new User(name, password, nickName, age);
        }
    }
}

核心是:先把所有的属性都设置给 Builder,然后 build() 方法的时候,将这些属性复制给实际产生的对象。

看看客户端的调用:

public class APP {
    public static void main(String[] args) {
        User d = User.builder()
                .name("foo")
                .password("pAss12345")
                .age(25)
                .build();
    }
}

说实话,建造者模式的链式写法很吸引人,但是,多写了很多“无用”的 builder 的代码,感觉这个模式没什么用。不过,当属性很多,而且有些必填,有些选填的时候,这个模式会使代码清晰很多。我们可以在 Builder 的构造方法中强制让调用者提供必填字段,还有,在 build() 方法中校验各个参数比在 User 的构造方法中校验,代码要优雅一些。

题外话,强烈建议读者使用 lombok,用了 lombok 以后,上面的一大堆代码会变成如下这样:

@Builder
class User {
    private String  name;
    private String password;
    private String nickName;
    private int age;
}

怎么样,省下来的时间是不是又可以干点别的了。

当然,如果你只是想要链式写法,不想要建造者模式,有个很简单的办法,User 的 getter 方法不变,所有的 setter 方法都让其 return this 就可以了,然后就可以像下面这样调用:

User user = new User().setName("").setPassword("").setAge(20);

原型模式

这是我要说的创建型模式的最后一个设计模式了。

原型模式很简单:有一个原型实例,基于这个原型实例产生新的实例,也就是“克隆”了。

Object 类中有一个 clone() 方法,它用于生成一个新的对象,当然,如果我们要调用这个方法,java 要求我们的类必须先实现 Cloneable 接口,此接口没有定义任何方法,但是不这么做的话,在 clone() 的时候,会抛出 CloneNotSupportedException 异常。

protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;

java 的克隆是浅克隆,碰到对象引用的时候,克隆出来的对象和原对象中的引用将指向同一个对象。通常实现深克隆的方法是将对象进行序列化,然后再进行反序列化。

原型模式了解到这里我觉得就够了,各种变着法子说这种代码或那种代码是原型模式,没什么意义。

创建型模式总结

创建型模式总体上比较简单,它们的作用就是为了产生实例对象,算是各种工作的第一步了,因为我们写的是面向对象的代码,所以我们第一步当然是需要创建一个对象了。

简单工厂模式最简单;工厂模式在简单工厂模式的基础上增加了选择工厂的维度,需要第一步选择合适的工厂;抽象工厂模式有产品族的概念,如果各个产品是存在兼容性问题的,就要用抽象工厂模式。单例模式就不说了,为了保证全局使用的是同一对象,一方面是安全性考虑,一方面是为了节省资源;建造者模式专门对付属性很多的那种类,为了让代码更优美;原型模式用得最少,了解和 Object 类中的 clone() 方法相关的知识即可。

参考文章

转自https://javadoop.com/post/design-pattern

原文链接:https://javadoop.com/post/design-pattern

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