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24种设计模式

1、创建型模式

1. 抽象工厂模式(Abstract factory pattern): 提供一个接口, 用于创建相关或依赖对象的家族, 而不需要指定具体类.

2. 生成器模式(Builder pattern): 使用生成器模式封装一个产品的构造过程, 并允许按步骤构造. 将一个复杂对象的构建与它的表示分离, 使得同样的构建过程可以创建不同的表示.

3. 工厂模式(factory method pattern): 定义了一个创建对象的接口, 但由子类决定要实例化的类是哪一个. 工厂方法让类把实例化推迟到子类.

4. 原型模式(prototype pattern): 当创建给定类的实例过程很昂贵或很复杂时, 就使用原形模式.

5. 单例模式(Singleton pattern): 确保一个类只有一个实例, 并提供全局访问点.

6. 多例模式(Multition pattern): 在一个解决方案中结合两个或多个模式, 以解决一般或重复发生的问题.

2、结构型模式

1. 适配器模式(Adapter pattern): 将一个类的接口, 转换成客户期望的另一个接口. 适配器让原本接口不兼容的类可以合作无间. 对象适配器使用组合, 类适配器使用多重继承.

2. 桥接模式(Bridge pattern): 使用桥接模式通过将实现和抽象放在两个不同的类层次中而使它们可以独立改变.

3. 组合模式(composite pattern): 允许你将对象组合成树形结构来表现"整体/部分"层次结构. 组合能让客户以一致的方式处理个别对象以及对象组合.

4. 装饰者模式(decorator pattern): 动态地将责任附加到对象上, 若要扩展功能, 装饰者提供了比继承更有弹性的替代方案.

5. 外观模式(facade pattern): 提供了一个统一的接口, 用来访问子系统中的一群接口. 外观定义了一个高层接口, 让子系统更容易使用.

6. 享元模式(Flyweight Pattern): 如想让某个类的一个实例能用来提供许多"虚拟实例", 就使用享元模式.

7. 代理模式(Proxy pattern): 为另一个对象提供一个替身或占位符以控制对这个对象的访问.

3、行为型模式

1. 责任链模式(Chain of responsibility pattern): 通过责任链模式, 你可以为某个请求创建一个对象链. 每个对象依序检查此请求并对其进行处理或者将它传给链中的下一个对象.

2. 命令模式(Command pattern): 将"请求"封闭成对象, 以便使用不同的请求,队列或者日志来参数化其他对象. 命令模式也支持可撤销的操作.

3. 解释器模式(Interpreter pattern): 使用解释器模式为语言创建解释器.

4. 迭代器模式(iterator pattern): 提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素, 而又不暴露其内部的表示.

5. 中介者模式(Mediator pattern) : 使用中介者模式来集中相关对象之间复杂的沟通和控制方式.

6. 备忘录模式(Memento pattern): 当你需要让对象返回之前的状态时(例如, 你的用户请求"撤销"), 你使用备忘录模式.

7. 观察者模式(observer pattern): 在对象之间定义一对多的依赖, 这样一来, 当一个对象改变状态, 依赖它的对象都会收到通知, 并自动更新.

8. 状态模式(State pattern): 允许对象在内部状态改变时改变它的行为, 对象看起来好像改了它的类.

9. 策略模式(strategy pattern): 定义了算法族, 分别封闭起来, 让它们之间可以互相替换, 此模式让算法的变化独立于使用算法的客户.

10. 模板方法模式(Template pattern): 在一个方法中定义一个算法的骨架, 而将一些步骤延迟到子类中. 模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下, 重新定义算法中的某些步骤.

11. 访问者模式(visitor pattern): 当你想要为一个对象的组合增加新的能力, 且封装并不重要时, 就使用访问者模式.

七大设计原则：

1. 单一职责原则【SINGLE RESPONSIBILITY PRINCIPLE】：一个类负责一项职责。

2. 里氏替换原则【LISKOV SUBSTITUTION PRINCIPLE】：继承与派生的规则。

3. 依赖倒置原则【DEPENDENCE INVERSION PRINCIPLE】：高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节；细节应该依赖抽象。即针对接口编程，不要针对实现编程。

4. 接口隔离原则【INTERFACE SEGREGATION PRINCIPLE】：建立单一接口，不要建立庞大臃肿的接口，尽量细化接口，接口中的方法尽量少。

5. 迪米特法则【LOW OF DEMETER】：低耦合，高内聚。

6. 开闭原则【OPEN CLOSE PRINCIPLE】：一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放，对修改关闭。

7. 组合/聚合复用原则【Composition/Aggregation Reuse Principle(CARP) 】：尽量使用组合和聚合少使用继承的关系来达到复用的原则。

软件设计模式的基本要素

软件设计模式使人们可以更加简单方便地复用成功的设计和体系结构，它通常包含以下几个基本要素：模式名称、别名、动机、问题、解决方案、效果、结构、模式角色、合作关系、实现方法、适用性、已知应用、例程、模式扩展和相关模式等，其中最关键的元素包括以下 4 个主要部分。

1. 模式名称

每一个模式都有自己的名字，通常用一两个词来描述，可以根据模式的问题、特点、解决方案、功能和效果来命名。模式名称（PatternName）有助于我们理解和记忆该模式，也方便我们来讨论自己的设计。

2. 问题

问题（Problem）描述了该模式的应用环境，即何时使用该模式。它解释了设计问题和问题存在的前因后果，以及必须满足的一系列先决条件。

3. 解决方案

模式问题的解决方案（Solution）包括设计的组成成分、它们之间的相互关系及各自的职责和协作方式。因为模式就像一个模板，可应用于多种不同场合，所以解决方案并不描述一个特定而具体的设计或实现，而是提供设计问题的抽象描述和怎样用一个具有一般意义的元素组合（类或对象的 组合）来解决这个问题。

4. 效果

描述了模式的应用效果以及使用该模式应该权衡的问题，即模式的优缺点。主要是对时间和空间的衡量，以及该模式对系统的灵活性、扩充性、可移植性的影响，也考虑其实现问题。显式地列出这些效果（Consequence）对理解和评价这些模式有很大的帮助。

GoF 的 23 种设计模式的分类和功能

1. 根据目的来分

根据模式是用来完成什么工作来划分，这种方式可分为创建型模式、结构型模式和行为型模式 3 种。

1. 创建型模式：用于描述“怎样创建对象”，它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。GoF 中提供了单例、原型、工厂方法、抽象工厂、建造者等 5 种创建型模式。
2. 结构型模式：用于描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构，GoF 中提供了代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元、组合等 7 种结构型模式。
3. 行为型模式：用于描述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，以及怎样分配职责。GoF 中提供了模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录、解释器等 11 种行为型模式。

2. 根据作用范围来分

根据模式是主要用于类上还是主要用于对象上来分，这种方式可分为类模式和对象模式两种。

1. 类模式：用于处理类与子类之间的关系，这些关系通过继承来建立，是静态的，在编译时刻便确定下来了。GoF中的工厂方法、（类）适配器、模板方法、解释器属于该模式。
2. 对象模式：用于处理对象之间的关系，这些关系可以通过组合或聚合来实现，在运行时刻是可以变化的，更具动态性。GoF 中除了以上 4 种，其他的都是对象模式。

表 1 介绍了这 23 种设计模式的分类。

3. GoF的23种设计模式的功能

前面说明了 GoF 的 23 种设计模式的分类，现在对各个模式的功能进行介绍。

1. 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。
2. 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。
3. 工厂方法（Factory Method）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。
4. 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。
5. 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。
6. 代理（Proxy）模式：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。
7. 适配器（Adapter）模式：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。
8. 桥接（Bridge）模式：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，从而降低了抽象和实现这两个可变维度的耦合度。
9. 装饰（Decorator）模式：动态的给对象增加一些职责，即增加其额外的功能。
10. 外观（Facade）模式：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。
11. 享元（Flyweight）模式：运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。
12. 组合（Composite）模式：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。
13. 模板方法（TemplateMethod）模式：定义一个操作中的算法骨架，而将算法的一些步骤延迟到子类中，使得子类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。
14. 策略（Strategy）模式：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。
15. 命令（Command）模式：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。
16. 职责链（Chain of Responsibility）模式：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。
17. 状态（State）模式：允许一个对象在其内部状态发生改变时改变其行为能力。
18. 观察者（Observer）模式：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。
19. 中介者（Mediator）模式：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。
20. 迭代器（Iterator）模式：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。
21. 访问者（Visitor）模式：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。
22. 备忘录（Memento）模式：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。
23. 解释器（Interpreter）模式：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。

UML统一建模语言是什么？

基本构件

UML 建模的核心是模型，模型是现实的简化、真实系统的抽象。UML 提供了系统的设计蓝图。当给软件系统建模时，需要采用通用的符号语言，这种描述模型所使用的语言被称为建模语言。在 UML 中，所有的描述由事物、关系和图这些构件组成。下图完整地描述了所有构件的关系。

事物

事物是抽象化的最终结果，分为结构事物、行为事物、分组事物和注释事物。

1. 结构事物

结构事物是模型中的静态部分，用以呈现概念或实体的表现元素，如下表所示。

事物	解释	图例
类（Class）	具有相同属性、方法、关系和语义的对象集合
接口（Interface）	指一个类或构件的一个服务的操作集合，它仅仅定义了一组操作的规范，并没有给出这组操作的具体实现
用例（User Case）	指对一组动作序列的描述，系统执行这些动作将产生一个对特定的参与者（Actor）有价值且可观察的结果
协作（Collaboration）	定义元素之间的相互作用
组件（Component）	描述物理系统的一部分
活动类（Active Class）	指对象有一个或多个进程或线程。活动类和类很相象，只是它的对象代表的元素的行为和其他元素是同时存在的
节点（Node）	定义为运行时存在的物理元素

2. 行为事物

行为事物指 UML 模型中的动态部分，如下表所示。

事物	解释	用例
交互（Interaction）	包括一组元素之间的消息交换
状态机（State Machine）	由一系列对象的状态组成

3. 分组事物

目前只有一种分组事物，即包。包纯碎是概念上的，只存在于开发阶段，结构事物、行为事物甚至分组事物都有可能放在一个包中，如下表所示。

事物	解释	用例
包（Package）	UML中唯一的组织机制

4. 注释事物

注释事物是解释 UML 模型元素的部分，如下表所示。

事物	解释	用例
注释（Note）	用于解析说明 UML 元素

关于 UML 中的关系，我们在《UML类图及类图之间的关系》一节讲解。

图

UML2.0 一共有 13 种图（UML1.5 定义了 9 种，UML2.0 增加了 4 种），分别是类图、对象图、构件图、部署图、活动图、状态图、用例图、时序图、协作图 9 种，以及包图、组合结构图、时间图、交互概览图 4 种。

一句话总结软件设计七大原则

各种原则要求的侧重点不同，下面我们分别用一句话归纳总结软件设计模式的七大原则，如下表所示。

实际上，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。

创建型模式的特点和分类

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。

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。

第 1 种：懒汉式单例

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;
}
}

第 2 种：饿汉式单例

public class HungrySingleton {
private static final HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getInstance() {
return instance;
}
}

原型模式（原型设计模式）详解

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。

//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));
}
}

简单工厂模式

优点和缺点

优点：

1. 工厂类包含必要的逻辑判断，可以决定在什么时候创建哪一个产品的实例。客户端可以免除直接创建产品对象的职责，很方便的创建出相应的产品。工厂和产品的职责区分明确。
2. 客户端无需知道所创建具体产品的类名，只需知道参数即可。
3. 也可以引入配置文件，在不修改客户端代码的情况下更换和添加新的具体产品类。

缺点：

1. 简单工厂模式的工厂类单一，负责所有产品的创建，职责过重，一旦异常，整个系统将受影响。且工厂类代码会非常臃肿，违背高聚合原则。
2. 使用简单工厂模式会增加系统中类的个数（引入新的工厂类），增加系统的复杂度和理解难度
3. 系统扩展困难，一旦增加新产品不得不修改工厂逻辑，在产品类型较多时，可能造成逻辑过于复杂
4. 简单工厂模式使用了 static 工厂方法，造成工厂角色无法形成基于继承的等级结构。

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。

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（详解版）

优点：

• 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品，无须知道产品的具体创建过程。
• 灵活性增强，对于新产品的创建，只需多写一个相应的工厂类。
• 典型的解耦框架。高层模块只需要知道产品的抽象类，无须关心其他实现类，满足迪米特法则、依赖倒置原则和里氏替换原则。

缺点：

• 类的个数容易过多，增加复杂度
• 增加了系统的抽象性和理解难度
• 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。

应用场景：

• 客户只知道创建产品的工厂名，而不知道具体的产品名。如 TCL 电视工厂、海信电视工厂等。
• 创建对象的任务由多个具体子工厂中的某一个完成，而抽象工厂只提供创建产品的接口。
• 客户不关心创建产品的细节，只关心产品的品牌

抽象工厂模式（详解版）

interface AbstractFactory {
public Product1 newProduct1();
public Product2 newProduct2();
}
class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory {
public Product1 newProduct1() {
System.out.println("具体工厂 1 生成-->具体产品 11...");
return new ConcreteProduct11();
}
public Product2 newProduct2() {
System.out.println("具体工厂 1 生成-->具体产品 21...");
return new ConcreteProduct21();
}
}