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单例模式
单例(Singleton)模式的定义:
指一个类只有一个实例,且该类能自行创建这个实例的一种模式。例如,Windows 中只能打开一个任务管理器,这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费,或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。
单例模式有 3 个特点:
- 单例类只有一个实例对象;
- 该单例对象必须由单例类自行创建;
- 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。
单例模式的应用场景:
对于 Java 来说,单例模式可以保证在一个 JVM 中只存在单一实例。单例模式的应用场景主要有以下几个方面。
- 需要频繁创建的一些类,使用单例可以降低系统的内存压力,减少 GC。
- 某类只要求生成一个对象的时候,如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
- 某些类创建实例时占用资源较多,或实例化耗时较长,且经常使用。
- 某类需要频繁实例化,而创建的对象又频繁被销毁的时候,如多线程的线程池、网络连接池等。
- 频繁访问数据库或文件的对象。
- 对于一些控制硬件级别的操作,或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作,如果有多个实例,则系统会完全乱套。
- 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象,共享该对象可以节省内存,并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。
单例模式的结构与实现:
单例模式是设计模式中最简单的模式之一。通常,普通类的构造函数是公有的,外部类可以通过“new 构造函数()”来生成多个实例。但是,如果将类的构造函数设为私有的,外部类就无法调用该构造函数,也就无法生成多个实例。这时该类自身必须定义一个静态私有实例,并向外提供一个静态的公有函数用于创建或获取该静态私有实例。
1. 单例模式的结构
单例模式的主要角色如下:
* 单例类:包含一个实例且能自行创建这个实例的类。
* 访问类:使用单例的类
2. 单例模式的实现
Singleton 模式通常有两种实现形式。
第 1 种:懒汉式单例
该模式的特点是类加载时没有生成单例,只有当第一次调用 getlnstance 方法时才去创建这个单例。代码如下:
public class LazySingleton {
private static volatile LazySingleton instance = null; //保证 instance 在所有线程中同步
private LazySingleton() {
} //private 避免类在外部被实例化
public static synchronized LazySingleton getInstance() {
//getInstance 方法前加同步
if (instance == null) {
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}
注意:如果编写的是多线程程序,则不要删除上例代码中的关键字 volatile 和 synchronized,否则将存在线程非安全的问题。如果不删除这两个关键字就能保证线程安全,但是每次访问时都要同步,会影响性能,且消耗更多的资源,这是懒汉式单例的缺点。
第 2 种:饿汉式单例
该模式的特点是类一旦加载就创建一个单例,保证在调用 getInstance 方法之前单例已经存在了
public class HungrySingleton {
private static final HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getInstance() {
return instance;
}
}
饿汉式单例在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用,以后不再改变,所以是线程安全的,可以直接用于多线程而不会出现问题。
单例模式的扩展
原型模式
原型模式的定义与特点:
原型(Prototype)模式的定义如下:用一个已经创建的实例作为原型,通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。在这里,原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效,根本无须知道对象创建的细节。例如,Windows 操作系统的安装通常较耗时,如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多,这里不一一列举了。
原型模式的优点:
- Java 自带的原型模式基于内存二进制流的复制,在性能上比直接 new 一个对象更加优良。
- 可以使用深克隆方式保存对象的状态,使用原型模式将对象复制一份,并将其状态保存起来,简化了创建对象的过程,以便在需要的时候使用(例如恢复到历史某一状态),可辅助实现撤销操作。
原型模式的缺点:
- 需要为每一个类都配置一个 clone 方法
- clone 方法位于类的内部,当对已有类进行改造的时候,需要修改代码,违背了开闭原则。
- 当实现深克隆时,需要编写较为复杂的代码,而且当对象之间存在多重嵌套引用时,为了实现深克隆,每一层对象对应的类都必须支持深克隆,实现起来会比较麻烦。因此,深克隆、浅克隆需要运用得当。
原型模式的结构与实现
1. 模式的结构
2. 模式的实现
原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。
- 浅克隆:创建一个新对象,新对象的属性和原来对象完全相同,对于非基本类型属性,仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。
- 深克隆:创建一个新对象,属性中引用的其他对象也会被克隆,不再指向原有对象地址。
Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法,具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆,这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。其代码如下:
//具体原型类
class Realizetype implements Cloneable {
Realizetype() {
System.out.println("具体原型创建成功!");
}
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
System.out.println("具体原型复制成功!");
return (Realizetype) super.clone();
}
}
//原型模式的测试类
public class PrototypeTest {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
Realizetype obj1 = new Realizetype();
Realizetype obj2 = (Realizetype) obj1.clone();
System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1 == obj2));
}
}
程序的运行结果如下:
具体原型创建成功!
具体原型复制成功!
obj1==obj2?false
原型模式的应用实例(实现clone()接口)
原型模式的应用场景:
原型模式通常适用于以下场景。
- 对象之间相同或相似,即只是个别的几个属性不同的时候。
- 创建对象成本较大,例如初始化时间长,占用CPU太多,或者占用网络资源太多等,需要优化资源。
- 创建一个对象需要繁琐的数据准备或访问权限等,需要提高性能或者提高安全性。
- 系统中大量使用该类对象,且各个调用者都需要给它的属性重新赋值。
在 Spring 中,原型模式应用的非常广泛,例如 scope=‘prototype’、JSON.parseObject() 等都是原型模式的具体应用。
原型模式的扩展
原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式,它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。该类用 HashMap 保存多个复制的原型,Client 类可以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。其结构图如图 5 所示。
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简单工厂模式(不属于23种设计模式里)
工厂模式的定义:定义一个创建产品对象的工厂接口,将产品对象的实际创建工作推迟到具体子工厂类当中。这满足创建型模式中所要求的“创建与使用相分离”的特点。
按实际业务场景划分,工厂模式有 3 种不同的实现方式,分别是简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式。
我们把被创建的对象称为“产品”,把创建产品的对象称为“工厂”。如果要创建的产品不多,只要一个工厂类就可以完成,这种模式叫“简单工厂模式”。
在简单工厂模式中创建实例的方法通常为静态(static)方法,因此简单工厂模式(Simple Factory Pattern)又叫作静态工厂方法模式(Static Factory Method Pattern)。
简单来说,简单工厂模式有一个具体的工厂类,可以生成多个不同的产品,属于创建型设计模式。简单工厂模式不在 GoF 23 种设计模式之列。
简单工厂模式每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类,这增加了系统的复杂度,违背了“开闭原则”。
应用场景
对于产品种类相对较少的情况,考虑使用简单工厂模式。使用简单工厂模式的客户端只需要传入工厂类的参数,不需要关心如何创建对象的逻辑,可以很方便地创建所需产品。
模式的结构与实现
简单工厂模式的主要角色如下:
- 简单工厂(SimpleFactory):是简单工厂模式的核心,负责实现创建所有实例的内部逻辑。工厂类的创建产品类的方法可以被外界直接调用,创建所需的产品对象。
- 抽象产品(Product):是简单工厂创建的所有对象的父类,负责描述所有实例共有的公共接口。
- 具体产品(ConcreteProduct):是简单工厂模式的创建目标。
代码如下:
public class Client {
public static void main(String[] args) {
}
//抽象产品
public interface Product {
void show();
}
//具体产品:ProductA
static class ConcreteProduct1 implements Product {
public void show() {
System.out.println("具体产品1显示...");
}
}
//具体产品:ProductB
static class ConcreteProduct2 implements Product {
public void show() {
System.out.println("具体产品2显示...");
}
}
final class Const {
static final int PRODUCT_A = 0;
static final int PRODUCT_B = 1;
static final int PRODUCT_C = 2;
}
static class SimpleFactory {
public static Product makeProduct(int kind) {
switch (kind) {
case Const.PRODUCT_A:
return new ConcreteProduct1();
case Const.PRODUCT_B:
return new ConcreteProduct2();
}
return null;
}
}
}
工厂方法模式
在《简单工厂模式》一节我们介绍了简单工厂模式,提到了简单工厂模式违背了开闭原则,而“工厂方法模式”是对简单工厂模式的进一步抽象化,其好处是可以使系统在不修改原来代码的情况下引进新的产品,即满足开闭原则。
缺点:抽象产品只能生产一种产品,此弊端可使用抽象工厂模式解决。
模式的结构与实现
工厂方法模式由抽象工厂、具体工厂、抽象产品和具体产品等4个要素构成。本节来分析其基本结构和实现方法。
1. 模式的结构
工厂方法模式的主要角色如下。
- 抽象工厂(Abstract Factory):提供了创建产品的接口,调用者通过它访问具体工厂的工厂方法 newProduct() 来创建产品。
- 具体工厂(ConcreteFactory):主要是实现抽象工厂中的抽象方法,完成具体产品的创建。
- 抽象产品(Product):定义了产品的规范,描述了产品的主要特性和功能。
- 具体产品(ConcreteProduct):实现了抽象产品角色所定义的接口,由具体工厂来创建,它同具体工厂之间一一对应。
2. 模式的实现
根据图 1 写出该模式的代码如下:
package FactoryMethod;
public class AbstractFactoryTest {
public static void main(String[] args) {
try {
Product a;
AbstractFactory af;
af = (AbstractFactory) ReadXML1.getObject();
a = af.newProduct();
a.show();
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}
//抽象产品:提供了产品的接口
interface Product {
public void show();
}
//具体产品1:实现抽象产品中的抽象方法
class ConcreteProduct1 implements Product {
public void show() {
System.out.println("具体产品1显示...");
}
}
//具体产品2:实现抽象产品中的抽象方法
class ConcreteProduct2 implements Product {
public void show() {
System.out.println("具体产品2显示...");
}
}
//抽象工厂:提供了厂品的生成方法
interface AbstractFactory {
public Product newProduct();
}
//具体工厂1:实现了厂品的生成方法
class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory {
public Product newProduct() {
System.out.println("具体工厂1生成-->具体产品1...");
return new ConcreteProduct1();
}
}
//具体工厂2:实现了厂品的生成方法
class ConcreteFactory2 implements AbstractFactory {
public Product newProduct() {
System.out.println("具体工厂2生成-->具体产品2...");
return new ConcreteProduct2();
}
}
模式的应用实例
【例1】用工厂方法模式设计畜牧场。
分析:有很多种类的畜牧场,如养马场用于养马,养牛场用于养牛,所以该实例用工厂方法模式比较适合。
对养马场和养牛场等具体工厂类,只要定义一个生成动物的方法 newAnimal() 即可。由于要显示马类和牛类等具体产品类的图像,所以它们的构造函数中用到了 JPanel、JLabd 和 ImageIcon 等组件,并定义一个 show() 方法来显示它们。
客户端程序通过对象生成器类 ReadXML2 读取 XML 配置文件中的数据来决定养马还是养牛。其结构图如图 2 所示。
抽象工厂模式(工厂模式的演变:一个工厂->多个工厂->工厂里面可以生产多个产品)
抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本,工厂方法模式只生产一个等级的产品,而抽象工厂模式可生产多个等级的产品。
模式的结构与实现
抽象工厂模式同工厂方法模式一样,也是由抽象工厂、具体工厂、抽象产品和具体产品等 4 个要素构成,但抽象工厂中方法个数不同,抽象产品的个数也不同。现在我们来分析其基本结构和实现方法。
1. 模式的结构
抽象工厂模式的主要角色如下。
- 抽象工厂(Abstract Factory):提供了创建产品的接口,它包含多个创建产品的方法 newProduct(),可以创建多个不同等级的产品。
- 具体工厂(Concrete Factory):主要是实现抽象工厂中的多个抽象方法,完成具体产品的创建。
- 抽象产品(Product):定义了产品的规范,描述了产品的主要特性和功能,抽象工厂模式有多个抽象产品。
- 具体产品(ConcreteProduct):实现了抽象产品角色所定义的接口,由具体工厂来创建,它同具体工厂之间是多对一的关系。
抽象工厂模式的结构图如图 2 所示。
模式的应用实例
【例1】用抽象工厂模式设计农场类。
分析:农场中除了像畜牧场一样可以养动物,还可以培养植物,如养马、养牛、种菜、种水果等,所以本实例比前面介绍的畜牧场类复杂,必须用抽象工厂模式来实现。
本例用抽象工厂模式来设计两个农场,一个是韶关农场用于养牛和种菜,一个是上饶农场用于养马和种水果,可以在以上两个农场中定义一个生成动物的方法 newAnimal() 和一个培养植物的方法 newPlant()。
对马类、牛类、蔬菜类和水果类等具体产品类,由于要显示它们的图像(点此下载图片),所以它们的构造函数中用到了 JPanel、JLabel 和 ImageIcon 等组件,并定义一个 show() 方法来显示它们。
客户端程序通过对象生成器类 ReadXML 读取 XML 配置文件中的数据来决定养什么动物和培养什么植物(点此下载 XML 文件)。其结构图如图 3 所示。
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建造者模式
模式的定义与特点
建造者(Builder)模式的定义:指将一个复杂对象的构造与它的表示分离,使同样的构建过程可以创建不同的表示,这样的设计模式被称为建造者模式。它是将一个复杂的对象分解为多个简单的对象,然后一步一步构建而成。它将变与不变相分离,即产品的组成部分是不变的,但每一部分是可以灵活选择的。
该模式的主要优点如下:
- 封装性好,构建和表示分离。
扩展性好,各个具体的建造者相互独立,有利于系统的解耦。 - 客户端不必知道产品内部组成的细节,建造者可以对创建过程逐步细化,而不对其它模块产生任何影响,便于控制细节风险。
其缺点如下:
- 产品的组成部分必须相同,这限制了其使用范围。
- 如果产品的内部变化复杂,如果产品内部发生变化,则建造者也要同步修改,后期维护成本较大。
建造者(Builder)模式和工厂模式的关注点不同:建造者模式注重零部件的组装过程,而工厂方法模式更注重零部件的创建过程,但两者可以结合使用。
模式的结构与实现
模式的应用实例
【例1】用建造者(Builder)模式描述客厅装修。
分析:客厅装修是一个复杂的过程,它包含墙体的装修、电视机的选择、沙发的购买与布局等。客户把装修要求告诉项目经理,项目经理指挥装修工人一步步装修,最后完成整个客厅的装修与布局,所以本实例用建造者模式实现比较适合。
这里客厅是产品,包括墙、电视和沙发等组成部分。具体装修工人是具体建造者,他们负责装修与墙、电视和沙发的布局。项目经理是指挥者,他负责指挥装修工人进行装修。
另外,客厅类中提供了 show() 方法,可以将装修效果图显示出来(点此下载装修效果图的图片)。客户端程序通过对象生成器类 ReadXML 读取 XML 配置文件中的装修方案数据(点此下载 XML 文件),调用项目经理进行装修。其类图如图 2 所示。
建造者模式和工厂模式的区别
通过前面的学习,我们已经了解了建造者模式,那么它和工厂模式有什么区别呢?
- 建造者模式更加注重方法的调用顺序,工厂模式注重创建对象。
- 创建对象的力度不同,建造者模式创建复杂的对象,由各种复杂的部件组成,工厂模式创建出来的对象都一样
- 关注重点不一样,工厂模式只需要把对象创建出来就可以了,而建造者模式不仅要创建出对象,还要知道对象由哪些部件组成。
- 建造者模式根据建造过程中的顺序不一样,最终对象部件组成也不一样。
模式的扩展
建造者(Builder)模式在应用过程中可以根据需要改变,如果创建的产品种类只有一种,只需要一个具体建造者,这时可以省略掉抽象建造者,甚至可以省略掉指挥者角色。
总结创建型模式
创建型模式的特点和分类
创建型模式的主要关注点是“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,对象的创建由相关的工厂来完成。就像我们去商场购买商品时,不需要知道商品是怎么生产出来一样,因为它们由专门的厂商生产。
创建型模式分为以下几种。
- 单例(Singleton)模式: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。
- 原型(Prototype)模式: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。
- 工厂方法(FactoryMethod)模式:定义一个用于创建产品的接口,由子类决定生产什么产品。
- 抽象工厂(AbstractFactory)模式: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。
- 建造者(Builder)模式: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。
以上 5 种创建型模式,除了工厂方法模式属于类创建型模式,其他的全部属于对象创建型模式,我们将在之后的教程中详细地介绍它们的特点、结构与应用。