设计模式也可以这么简单

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😂😂😂,我也花了很多心思来写和做图,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。

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:

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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。

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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:

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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:

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// 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。

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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:

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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:

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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;
}
}

双重加锁,volatile 保证了线程间的可见性,synchronized 对可能的并发问题做同步

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。

嵌套类最经典,以后大家就用它吧:

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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:

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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:

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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:

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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:

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@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:

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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。

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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。

结构型模式

前面创建型模式介绍了创建对象的一些设计模式,这节介绍的结构型模式旨在通过改变代码结构来达到解耦的目的,使得我们的代码容易维护和扩展。

代理模式

第一个要介绍的代理模式是最常使用的模式之一了,用一个代理来隐藏具体实现类的实现细节,通常还用于在真实的实现的前后添加一部分逻辑。

既然说是代理,那就要对客户端隐藏真实实现,由代理来负责客户端的所有请求。当然,代理只是个代理,它不会完成实际的业务逻辑,而是一层皮而已,但是对于客户端来说,它必须表现得就是客户端需要的真实实现。

理解代理这个词,这个模式其实就简单了。

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public interface FoodService {
Food makeChicken();
Food makeNoodle();
}
public class FoodServiceImpl implements FoodService {
public Food makeChicken() {
Food f = new Chicken()
f.setChicken("1kg");
f.setSpicy("1g");
f.setSalt("3g");
return f;
}
public Food makeNoodle() {
Food f = new Noodle();
f.setNoodle("500g");
f.setSalt("5g");
return f;
}
}
// 代理要表现得“就像是”真实实现类,所以需要实现 FoodService
public class FoodServiceProxy implements FoodService {
// 内部一定要有一个真实的实现类,当然也可以通过构造方法注入
private FoodService foodService = new FoodServiceImpl();
public Food makeChicken() {
System.out.println("我们马上要开始制作鸡肉了");
// 如果我们定义这句为核心代码的话,那么,核心代码是真实实现类做的,
// 代理只是在核心代码前后做些“无足轻重”的事情
Food chicken = foodService.makeChicken();
System.out.println("鸡肉制作完成啦,加点胡椒粉"); // 增强
chicken.addCondiment("pepper");
return fruit;
}
public Food makeNoodle() {
System.out.println("准备制作拉面~");
Food noodle = foodService.makeNoodle();
System.out.println("制作完成啦")
return fruit;
}
}

客户端调用,注意,我们要用代理来实例化接口:

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// 这里用代理类来实例化
FruitService fruitService = new FruitServiceProxy();
fruitService.makeChicken();

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我们发现没有,代理模式说白了就是做 “方法包装” 或做 “方法增强”。在面向切面编程中,算了还是不要吹捧这个名词了,在 AOP 中,其实就是动态代理的过程。比如 Spring 中,我们自己不定义代理类,但是 Spring 会帮我们动态来定义代理,然后把我们定义在 @Before、@After、@Around 中的代码逻辑动态添加到代理中。

说到动态代理,又可以展开说 …… Spring 中实现动态代理有两种,一种是如果我们的类定义了接口,如 UserService 接口和 UserServiceImpl 实现,那么采用 JDK 的动态代理,感兴趣的读者可以去看看 java.lang.reflect.Proxy 类的源码;另一种是我们自己没有定义接口的,Spring 会采用 CGLIB 进行动态代理,它是一个 jar 包,性能还不错。

适配器模式

说完代理模式,说适配器模式,是因为它们很相似,这里可以做个比较。

适配器模式做的就是,有一个接口需要实现,但是我们现成的对象都不满足,需要加一层适配器来进行适配。

适配器模式总体来说分三种:默认适配器模式、对象适配器模式、类适配器模式。先不急着分清楚这几个,先看看例子再说。

默认适配器模式

首先,我们先看看最简单的适配器模式默认适配器模式(Default Adapter)是怎么样的。

我们用 Appache commons-io 包中的 FileAlterationListener 做例子,此接口定义了很多的方法,用于对文件或文件夹进行监控,一旦发生了对应的操作,就会触发相应的方法。

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public interface FileAlterationListener {
void onStart(final FileAlterationObserver observer);
void onDirectoryCreate(final File directory);
void onDirectoryChange(final File directory);
void onDirectoryDelete(final File directory);
void onFileCreate(final File file);
void onFileChange(final File file);
void onFileDelete(final File file);
void onStop(final FileAlterationObserver observer);
}

此接口的一大问题是抽象方法太多了,如果我们要用这个接口,意味着我们要实现每一个抽象方法,如果我们只是想要监控文件夹中的文件创建文件删除事件,可是我们还是不得不实现所有的方法,很明显,这不是我们想要的。

所以,我们需要下面的一个适配器,它用于实现上面的接口,但是所有的方法都是空方法,这样,我们就可以转而定义自己的类来继承下面这个类即可。

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public class FileAlterationListenerAdaptor implements FileAlterationListener {
public void onStart(final FileAlterationObserver observer) {
}
public void onDirectoryCreate(final File directory) {
}
public void onDirectoryChange(final File directory) {
}
public void onDirectoryDelete(final File directory) {
}
public void onFileCreate(final File file) {
}
public void onFileChange(final File file) {
}
public void onFileDelete(final File file) {
}
public void onStop(final FileAlterationObserver observer) {
}
}

比如我们可以定义以下类,我们仅仅需要实现我们想实现的方法就可以了:

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public class FileMonitor extends FileAlterationListenerAdaptor {
public void onFileCreate(final File file) {
// 文件创建
doSomething();
}
public void onFileDelete(final File file) {
// 文件删除
doSomething();
}
}

当然,上面说的只是适配器模式的其中一种,也是最简单的一种,无需多言。下面,再介绍“正统的”适配器模式。

对象适配器模式

来看一个《Head First 设计模式》中的一个例子,我稍微修改了一下,看看怎么将鸡适配成鸭,这样鸡也能当鸭来用。因为,现在鸭这个接口,我们没有合适的实现类可以用,所以需要适配器。

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public interface Duck {
public void quack(); // 鸭的呱呱叫
public void fly(); // 飞
}
public interface Cock {
public void gobble(); // 鸡的咕咕叫
public void fly(); // 飞
}
public class WildCock implements Cock {
public void gobble() {
System.out.println("咕咕叫");
}
public void fly() {
System.out.println("鸡也会飞哦");
}
}

鸭接口有 fly() 和 quare() 两个方法,鸡 Cock 如果要冒充鸭,fly() 方法是现成的,但是鸡不会鸭的呱呱叫,没有 quack() 方法。这个时候就需要适配了:

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// 毫无疑问,首先,这个适配器肯定需要 implements Duck,这样才能当做鸭来用
public class CockAdapter implements Duck {
Cock cock;
// 构造方法中需要一个鸡的实例,此类就是将这只鸡适配成鸭来用
public CockAdapter(Cock cock) {
this.cock = cock;
}
// 实现鸭的呱呱叫方法
@Override
public void quack() {
// 内部其实是一只鸡的咕咕叫
cock.gobble();
}
@Override
public void fly() {
cock.fly();
}
}

客户端调用很简单了:

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public static void main(String[] args) {
// 有一只野鸡
Cock wildCock = new WildCock();
// 成功将野鸡适配成鸭
Duck duck = new CockAdapter(wildCock);
...
}

到这里,大家也就知道了适配器模式是怎么回事了。无非是我们需要一只鸭,但是我们只有一只鸡,这个时候就需要定义一个适配器,由这个适配器来充当鸭,但是适配器里面的方法还是由鸡来实现的。

我们用一个图来简单说明下:

adapter-1

上图应该还是很容易理解的,我就不做更多的解释了。下面,我们看看类适配模式怎么样的。

类适配器模式

废话少说,直接上图:

adapter-1

看到这个图,大家应该很容易理解的吧,通过继承的方法,适配器自动获得了所需要的大部分方法。这个时候,客户端使用更加简单,直接 Target t = new SomeAdapter(); 就可以了。

适配器模式总结

  1. 类适配和对象适配的异同

    一个采用继承,一个采用组合;

    类适配属于静态实现,对象适配属于组合的动态实现,对象适配需要多实例化一个对象。

    总体来说,对象适配用得比较多。

  2. 适配器模式和代理模式的异同

    比较这两种模式,其实是比较对象适配器模式和代理模式,在代码结构上,它们很相似,都需要一个具体的实现类的实例。但是它们的目的不一样,代理模式做的是增强原方法的活;适配器做的是适配的活,为的是提供“把鸡包装成鸭,然后当做鸭来使用”,而鸡和鸭它们之间原本没有继承关系。

    adapter-5

桥梁模式

理解桥梁模式,其实就是理解代码抽象和解耦。

我们首先需要一个桥梁,它是一个接口,定义提供的接口方法。

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public interface DrawAPI {
public void draw(int radius, int x, int y);
}

然后是一系列实现类:

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public class RedPen implements DrawAPI {
@Override
public void draw(int radius, int x, int y) {
System.out.println("用红色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
}
}
public class GreenPen implements DrawAPI {
@Override
public void draw(int radius, int x, int y) {
System.out.println("用绿色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
}
}
public class BluePen implements DrawAPI {
@Override
public void draw(int radius, int x, int y) {
System.out.println("用蓝色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
}
}

定义一个抽象类,此类的实现类都需要使用 DrawAPI:

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public abstract class Shape {
protected DrawAPI drawAPI;
protected Shape(DrawAPI drawAPI){
this.drawAPI = drawAPI;
}
public abstract void draw();
}

定义抽象类的子类:

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// 圆形
public class Circle extends Shape {
private int radius;
public Circle(int radius, DrawAPI drawAPI) {
super(drawAPI);
this.radius = radius;
}
public void draw() {
drawAPI.draw(radius, 0, 0);
}
}
// 长方形
public class Rectangle extends Shape {
private int x;
private int y;
public Rectangle(int x, int y, DrawAPI drawAPI) {
super(drawAPI);
this.x = x;
this.y = y;
}
public void draw() {
drawAPI.draw(0, x, y);
}
}

最后,我们来看客户端演示:

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public static void main(String[] args) {
Shape greenCircle = new Circle(10, new GreenPen());
Shape redRectangle = new Rectangle(4, 8, new RedPen());
greenCircle.draw();
redRectangle.draw();
}

可能大家看上面一步步还不是特别清晰,我把所有的东西整合到一张图上:

bridge-1

这回大家应该就知道抽象在哪里,怎么解耦了吧。桥梁模式的优点也是显而易见的,就是非常容易进行扩展。

本节引用了这里的例子,并对其进行了修改。

装饰模式

要把装饰模式说清楚明白,不是件容易的事情。也许读者知道 Java IO 中的几个类是典型的装饰模式的应用,但是读者不一定清楚其中的关系,也许看完就忘了,希望看完这节后,读者可以对其有更深的感悟。

首先,我们先看一个简单的图,看这个图的时候,了解下层次结构就可以了:

decorator-1

我们来说说装饰模式的出发点,从图中可以看到,接口 Component 其实已经有了 ConcreteComponentAConcreteComponentB 两个实现类了,但是,如果我们要增强这两个实现类的话,我们就可以采用装饰模式,用具体的装饰器来装饰实现类,以达到增强的目的。

从名字来简单解释下装饰器。既然说是装饰,那么往往就是添加小功能这种,而且,我们要满足可以添加多个小功能。最简单的,代理模式就可以实现功能的增强,但是代理不容易实现多个功能的增强,当然你可以说用代理包装代理的方式,但是那样的话代码就复杂了。

首先明白一些简单的概念,从图中我们看到,所有的具体装饰者们 ConcreteDecorator 都可以作为 Component 来使用,因为它们都实现了 Component 中的所有接口。它们和 Component 实现类 ConcreteComponent 的区别是,它们只是装饰者,起装饰作用,也就是即使它们看上去牛逼轰轰,但是它们都只是在具体的实现中加了层皮来装饰而已。

注意这段话中混杂在各个名词中的 Component 和 Decorator,别搞混了。

下面来看看一个例子,先把装饰模式弄清楚,然后再介绍下 java io 中的装饰模式的应用。

最近大街上流行起来了“快乐柠檬”,我们把快乐柠檬的饮料分为三类:红茶、绿茶、咖啡,在这三大类的基础上,又增加了许多的口味,什么金桔柠檬红茶、金桔柠檬珍珠绿茶、芒果红茶、芒果绿茶、芒果珍珠红茶、烤珍珠红茶、烤珍珠芒果绿茶、椰香胚芽咖啡、焦糖可可咖啡等等,每家店都有很长的菜单,但是仔细看下,其实原料也没几样,但是可以搭配出很多组合,如果顾客需要,很多没出现在菜单中的饮料他们也是可以做的。

在这个例子中,红茶、绿茶、咖啡是最基础的饮料,其他的像金桔柠檬、芒果、珍珠、椰果、焦糖等都属于装饰用的。当然,在开发中,我们确实可以像门店一样,开发这些类:LemonBlackTea、LemonGreenTea、MangoBlackTea、MangoLemonGreenTea……但是,很快我们就发现,这样子干肯定是不行的,这会导致我们需要组合出所有的可能,而且如果客人需要在红茶中加双份柠檬怎么办?三份柠檬怎么办?万一有个变态要四份柠檬,所以这种做法是给自己找加班的。

不说废话了,上代码。

首先,定义饮料抽象基类:

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public abstract class Beverage {
// 返回描述
public abstract String getDescription();
// 返回价格
public abstract double cost();
}

然后是三个基础饮料实现类,红茶、绿茶和咖啡:

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public class BlackTea extends Beverage {
public String getDescription() {
return "红茶";
}
public double cost() {
return 10;
}
}
public class GreenTea extends Beverage {
public String getDescription() {
return "绿茶";
}
public double cost() {
return 11;
}
}
...// 咖啡省略

定义调料,也就是装饰者的基类,此类必须继承自 Beverage:

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// 调料
public abstract class Condiment extends Beverage {
}

然后我们来定义柠檬、芒果等具体的调料,它们属于装饰者,毫无疑问,这些调料肯定都需要继承 Condiment 类:

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public class Lemon extends Condiment {
private Beverage bevarage;
// 这里很关键,需要传入具体的饮料,如需要传入没有被装饰的红茶或绿茶,
// 当然也可以传入已经装饰好的芒果绿茶,这样可以做芒果柠檬绿茶
public Lemon(Beverage bevarage) {
this.bevarage = bevarage;
}
public String getDescription() {
// 装饰
return bevarage.getDescription() + ", 加柠檬";
}
public double cost() {
// 装饰
return beverage.cost() + 2; // 加柠檬需要 2 元
}
}
public class Mango extends Condiment {
private Beverage bevarage;
public Mango(Beverage bevarage) {
this.bevarage = bevarage;
}
public String getDescription() {
return bevarage.getDescription() + ", 加芒果";
}
public double cost() {
return beverage.cost() + 3; // 加芒果需要 3 元
}
}
...// 给每一种调料都加一个类

看客户端调用:

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public static void main(String[] args) {
// 首先,我们需要一个基础饮料,红茶、绿茶或咖啡
Beverage beverage = new GreenTea();
// 开始装饰
beverage = new Lemon(beverage); // 先加一份柠檬
beverage = new Mongo(beverage); // 再加一份芒果
System.out.println(beverage.getDescription() + " 价格:¥" + beverage.cost());
//"绿茶, 加柠檬, 加芒果 价格:¥16"
}

如果我们需要芒果珍珠双份柠檬红茶:

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Beverage beverage = new Mongo(new Pearl(new Lemon(new Lemon(new BlackTea()))));

是不是很变态?

看看下图可能会清晰一些:

decorator-2

到这里,大家应该已经清楚装饰模式了吧。

下面,我们再来说说 java IO 中的装饰模式。看下图 InputStream 派生出来的部分类:

decorator-3

我们知道 InputStream 代表了输入流,具体的输入来源可以是文件(FileInputStream)、管道(PipedInputStream)、数组(ByteArrayInputStream)等,这些就像前面奶茶的例子中的红茶、绿茶,属于基础输入流。

FilterInputStream 承接了装饰模式的关键节点,其实现类是一系列装饰器,比如 BufferedInputStream 代表用缓冲来装饰,也就使得输入流具有了缓冲的功能,LineNumberInputStream 代表用行号来装饰,在操作的时候就可以取得行号了,DataInputStream 的装饰,使得我们可以从输入流转换为 java 中的基本类型值。

当然,在 java IO 中,如果我们使用装饰器的话,就不太适合面向接口编程了,如:

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InputStream inputStream = new LineNumberInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("")));

这样的结果是,InputStream 还是不具有读取行号的功能,因为读取行号的方法定义在 LineNumberInputStream 类中。

我们应该像下面这样使用:

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DataInputStream is = new DataInputStream(
new BufferedInputStream(
new FileInputStream("")));

所以说嘛,要找到纯的严格符合设计模式的代码还是比较难的。

门面模式

门面模式(也叫外观模式,Facade Pattern)在许多源码中有使用,比如 slf4j 就可以理解为是门面模式的应用。这是一个简单的设计模式,我们直接上代码再说吧。

首先,我们定义一个接口:

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public interface Shape {
void draw();
}

定义几个实现类:

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public class Circle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Circle::draw()");
}
}
public class Rectangle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Rectangle::draw()");
}
}

客户端调用:

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public static void main(String[] args) {
// 画一个圆形
Shape circle = new Circle();
circle.draw();
// 画一个长方形
Shape rectangle = new Rectangle();
rectangle.draw();
}

以上是我们常写的代码,我们需要画圆就要先实例化圆,画长方形就需要先实例化一个长方形,然后再调用相应的 draw() 方法。

下面,我们看看怎么用门面模式来让客户端调用更加友好一些。

我们先定义一个门面:

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public class ShapeMaker {
private Shape circle;
private Shape rectangle;
private Shape square;
public ShapeMaker() {
circle = new Circle();
rectangle = new Rectangle();
square = new Square();
}
/**
* 下面定义一堆方法,具体应该调用什么方法,由这个门面来决定
*/
public void drawCircle(){
circle.draw();
}
public void drawRectangle(){
rectangle.draw();
}
public void drawSquare(){
square.draw();
}
}

看看现在客户端怎么调用:

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public static void main(String[] args) {
ShapeMaker shapeMaker = new ShapeMaker();
// 客户端调用现在更加清晰了
shapeMaker.drawCircle();
shapeMaker.drawRectangle();
shapeMaker.drawSquare();
}

门面模式的优点显而易见,客户端不再需要关注实例化时应该使用哪个实现类,直接调用门面提供的方法就可以了,因为门面类提供的方法的方法名对于客户端来说已经很友好了。

组合模式

组合模式用于表示具有层次结构的数据,使得我们对单个对象和组合对象的访问具有一致性。

直接看一个例子吧,每个员工都有姓名、部门、薪水这些属性,同时还有下属员工集合(虽然可能集合为空),而下属员工和自己的结构是一样的,也有姓名、部门这些属性,同时也有他们的下属员工集合。

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public class Employee {
private String name;
private String dept;
private int salary;
private List<Employee> subordinates; // 下属
public Employee(String name,String dept, int sal) {
this.name = name;
this.dept = dept;
this.salary = sal;
subordinates = new ArrayList<Employee>();
}
public void add(Employee e) {
subordinates.add(e);
}
public void remove(Employee e) {
subordinates.remove(e);
}
public List<Employee> getSubordinates(){
return subordinates;
}
public String toString(){
return ("Employee :[ Name : " + name + ", dept : " + dept + ", salary :" + salary+" ]");
}
}

通常,这种类需要定义 add(node)、remove(node)、getChildren() 这些方法。

这说的其实就是组合模式,这种简单的模式我就不做过多介绍了,相信各位读者也不喜欢看我写废话。

享元模式

英文是 Flyweight Pattern,不知道是谁最先翻译的这个词,感觉这翻译真的不好理解,我们试着强行关联起来吧。Flyweight 是轻量级的意思,享元分开来说就是 共享 元器件,也就是复用已经生成的对象,这种做法当然也就是轻量级的了。

复用对象最简单的方式是,用一个 HashMap 来存放每次新生成的对象。每次需要一个对象的时候,先到 HashMap 中看看有没有,如果没有,再生成新的对象,然后将这个对象放入 HashMap 中。

这种简单的代码我就不演示了。

结构型模式总结

前面,我们说了代理模式、适配器模式、桥梁模式、装饰模式、门面模式、组合模式和享元模式。读者是否可以分别把这几个模式说清楚了呢?在说到这些模式的时候,心中是否有一个清晰的图或处理流程在脑海里呢?

代理模式是做方法增强的,适配器模式是把鸡包装成鸭这种用来适配接口的,桥梁模式做到了很好的解耦,装饰模式从名字上就看得出来,适合于装饰类或者说是增强类的场景,门面模式的优点是客户端不需要关心实例化过程,只要调用需要的方法即可,组合模式用于描述具有层次结构的数据,享元模式是为了在特定的场景中缓存已经创建的对象,用于提高性能。

行为型模式

行为型模式关注的是各个类之间的相互作用,将职责划分清楚,使得我们的代码更加地清晰。

策略模式

策略模式太常用了,所以把它放到最前面进行介绍。它比较简单,我就不废话,直接用代码说事吧。

下面设计的场景是,我们需要画一个图形,可选的策略就是用红色笔来画,还是绿色笔来画,或者蓝色笔来画。

首先,先定义一个策略接口:

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public interface Strategy {
public void draw(int radius, int x, int y);
}

然后我们定义具体的几个策略:

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public class RedPen implements Strategy {
@Override
public void draw(int radius, int x, int y) {
System.out.println("用红色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
}
}
public class GreenPen implements Strategy {
@Override
public void draw(int radius, int x, int y) {
System.out.println("用绿色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
}
}
public class BluePen implements Strategy {
@Override
public void draw(int radius, int x, int y) {
System.out.println("用蓝色笔画图,radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
}
}

使用策略的类:

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public class Context {
private Strategy strategy;
public Context(Strategy strategy){
this.strategy = strategy;
}
public int executeDraw(int radius, int x, int y){
return strategy.draw(radius, x, y);
}
}

客户端演示:

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public static void main(String[] args) {
Context context = new Context(new BluePen()); // 使用绿色笔来画
context.executeDraw(10, 0, 0);
}

放到一张图上,让大家看得清晰些:

strategy-1

这个时候,大家有没有联想到结构型模式中的桥梁模式,它们其实非常相似,我把桥梁模式的图拿过来大家对比下:

bridge-1

要我说的话,它们非常相似,桥梁模式在左侧加了一层抽象而已。桥梁模式的耦合更低,结构更复杂一些。

观察者模式

观察者模式对于我们来说,真是再简单不过了。无外乎两个操作,观察者订阅自己关心的主题和主题有数据变化后通知观察者们。

首先,需要定义主题,每个主题需要持有观察者列表的引用,用于在数据变更的时候通知各个观察者:

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public class Subject {
private List<Observer> observers = new ArrayList<Observer>();
private int state;
public int getState() {
return state;
}
public void setState(int state) {
this.state = state;
// 数据已变更,通知观察者们
notifyAllObservers();
}
public void attach(Observer observer){
observers.add(observer);
}
// 通知观察者们
public void notifyAllObservers(){
for (Observer observer : observers) {
observer.update();
}
}
}

定义观察者接口:

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public abstract class Observer {
protected Subject subject;
public abstract void update();
}

其实如果只有一个观察者类的话,接口都不用定义了,不过,通常场景下,既然用到了观察者模式,我们就是希望一个事件出来了,会有多个不同的类需要处理相应的信息。比如,订单修改成功事件,我们希望发短信的类得到通知、发邮件的类得到通知、处理物流信息的类得到通知等。

我们来定义具体的几个观察者类:

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public class BinaryObserver extends Observer {
// 在构造方法中进行订阅主题
public BinaryObserver(Subject subject) {
this.subject = subject;
// 通常在构造方法中将 this 发布出去的操作一定要小心
this.subject.attach(this);
}
// 该方法由主题类在数据变更的时候进行调用
@Override
public void update() {
String result = Integer.toBinaryString(subject.getState());
System.out.println("订阅的数据发生变化,新的数据处理为二进制值为:" + result);
}
}
public class HexaObserver extends Observer {
public HexaObserver(Subject subject) {
this.subject = subject;
this.subject.attach(this);
}
@Override
public void update() {
String result = Integer.toHexString(subject.getState()).toUpperCase();
System.out.println("订阅的数据发生变化,新的数据处理为十六进制值为:" + result);
}
}

客户端使用也非常简单:

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public static void main(String[] args) {
// 先定义一个主题
Subject subject1 = new Subject();
// 定义观察者
new BinaryObserver(subject1);
new HexaObserver(subject1);
// 模拟数据变更,这个时候,观察者们的 update 方法将会被调用
subject.setState(11);
}

output:

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订阅的数据发生变化,新的数据处理为二进制值为:1011
订阅的数据发生变化,新的数据处理为十六进制值为:B

当然,jdk 也提供了相似的支持,具体的大家可以参考 java.util.Observable 和 java.util.Observer 这两个类。

实际生产过程中,观察者模式往往用消息中间件来实现,如果要实现单机观察者模式,笔者建议读者使用 Guava 中的 EventBus,它有同步实现也有异步实现,本文主要介绍设计模式,就不展开说了。

责任链模式

责任链通常需要先建立一个单向链表,然后调用方只需要调用头部节点就可以了,后面会自动流转下去。比如流程审批就是一个很好的例子,只要终端用户提交申请,根据申请的内容信息,自动建立一条责任链,然后就可以开始流转了。

有这么一个场景,用户参加一个活动可以领取奖品,但是活动需要进行很多的规则校验然后才能放行,比如首先需要校验用户是否是新用户、今日参与人数是否有限额、全场参与人数是否有限额等等。设定的规则都通过后,才能让用户领走奖品。

如果产品给你这个需求的话,我想大部分人一开始肯定想的就是,用一个 List 来存放所有的规则,然后 foreach 执行一下每个规则就好了。不过,读者也先别急,看看责任链模式和我们说的这个有什么不一样?

首先,我们要定义流程上节点的基类:

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public abstract class RuleHandler {
// 后继节点
protected RuleHandler successor;
public abstract void apply(Context context);
public void setSuccessor(RuleHandler successor) {
this.successor = successor;
}
public RuleHandler getSuccessor() {
return successor;
}
}

接下来,我们需要定义具体的每个节点了。

校验用户是否是新用户:

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public class NewUserRuleHandler extends RuleHandler {
public void apply(Context context) {
if (context.isNewUser()) {
// 如果有后继节点的话,传递下去
if (this.getSuccessor() != null) {
this.getSuccessor().apply(context);
}
} else {
throw new RuntimeException("该活动仅限新用户参与");
}
}
}

校验用户所在地区是否可以参与:

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public class LocationRuleHandler extends RuleHandler {
public void apply(Context context) {
boolean allowed = activityService.isSupportedLocation(context.getLocation);
if (allowed) {
if (this.getSuccessor() != null) {
this.getSuccessor().apply(context);
}
} else {
throw new RuntimeException("非常抱歉,您所在的地区无法参与本次活动");
}
}
}

校验奖品是否已领完:

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public class LimitRuleHandler extends RuleHandler {
public void apply(Context context) {
int remainedTimes = activityService.queryRemainedTimes(context); // 查询剩余奖品
if (remainedTimes > 0) {
if (this.getSuccessor() != null) {
this.getSuccessor().apply(userInfo);
}
} else {
throw new RuntimeException("您来得太晚了,奖品被领完了");
}
}
}

客户端:

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public static void main(String[] args) {
RuleHandler newUserHandler = new NewUserRuleHandler();
RuleHandler locationHandler = new LocationRuleHandler();
RuleHandler limitHandler = new LimitRuleHandler();
// 假设本次活动仅校验地区和奖品数量,不校验新老用户
locationHandler.setSuccessor(limitHandler);
locationHandler.apply(context);
}

代码其实很简单,就是先定义好一个链表,然后在通过任意一节点后,如果此节点有后继节点,那么传递下去。

至于它和我们前面说的用一个 List 存放需要执行的规则的做法有什么异同,留给读者自己琢磨吧。

模板方法模式

在含有继承结构的代码中,模板方法模式是非常常用的,这也是在开源代码中大量被使用的。

通常会有一个抽象类:

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public abstract class AbstractTemplate {
// 这就是模板方法
public void templateMethod(){
init();
apply(); // 这个是重点
end(); // 可以作为钩子方法
}
protected void init() {
System.out.println("init 抽象层已经实现,子类也可以选择覆写");
}
// 留给子类实现
protected abstract void apply();
protected void end() {
}
}

模板方法中调用了 3 个方法,其中 apply() 是抽象方法,子类必须实现它,其实模板方法中有几个抽象方法完全是自由的,我们也可以将三个方法都设置为抽象方法,让子类来实现。也就是说,模板方法只负责定义第一步应该要做什么,第二步应该做什么,第三步应该做什么,至于怎么做,由子类来实现。

我们写一个实现类:

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public class ConcreteTemplate extends AbstractTemplate {
public void apply() {
System.out.println("子类实现抽象方法 apply");
}
public void end() {
System.out.println("我们可以把 method3 当做钩子方法来使用,需要的时候覆写就可以了");
}
}

客户端调用演示:

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public static void main(String[] args) {
AbstractTemplate t = new ConcreteTemplate();
// 调用模板方法
t.templateMethod();
}

代码其实很简单,基本上看到就懂了,关键是要学会用到自己的代码中。

状态模式

update: 2017-10-19

废话我就不说了,我们说一个简单的例子。商品库存中心有个最基本的需求是减库存和补库存,我们看看怎么用状态模式来写。

核心在于,我们的关注点不再是 Context 是该进行哪种操作,而是关注在这个 Context 会有哪些操作。

定义状态接口:

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public interface State {
public void doAction(Context context);
}

定义减库存的状态:

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public class DeductState implements State {
public void doAction(Context context) {
System.out.println("商品卖出,准备减库存");
context.setState(this);
//... 执行减库存的具体操作
}
public String toString(){
return "Deduct State";
}
}

定义补库存状态:

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public class RevertState implements State {
public void doAction(Context context) {
System.out.println("给此商品补库存");
context.setState(this);
//... 执行加库存的具体操作
}
public String toString() {
return "Revert State";
}
}

前面用到了 context.setState(this),我们来看看怎么定义 Context 类:

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public class Context {
private State state;
private String name;
public Context(String name) {
this.name = name;
}
public void setState(State state) {
this.state = state;
}
public void getState() {
return this.state;
}
}

我们来看下客户端调用,大家就一清二楚了:

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public static void main(String[] args) {
// 我们需要操作的是 iPhone X
Context context = new Context("iPhone X");
// 看看怎么进行补库存操作
State revertState = new RevertState();
revertState.doAction(context);
// 同样的,减库存操作也非常简单
State deductState = new DeductState();
deductState.doAction(context);
// 如果需要我们可以获取当前的状态
// context.getState().toString();
}

读者可能会发现,在上面这个例子中,如果我们不关心当前 context 处于什么状态,那么 Context 就可以不用维护 state 属性了,那样代码会简单很多。

不过,商品库存这个例子毕竟只是个例,我们还有很多实例是需要知道当前 context 处于什么状态的。

行为型模式总结

行为型模式部分介绍了策略模式、观察者模式、责任链模式、模板方法模式和状态模式,其实,经典的行为型模式还包括备忘录模式、命令模式等,但是它们的使用场景比较有限,而且本文篇幅也挺大了,我就不进行介绍了。

总结

学习设计模式的目的是为了让我们的代码更加的优雅、易维护、易扩展。我以前学设计模式的初衷是为了看懂开源代码,也为了写出装B的代码。这次整理这篇文章,让我重新审视了一下各个设计模式,对我自己而言收获还是挺大的。我想,文章的最大收益者一般都是作者本人,为了写一篇文章,需要巩固自己的知识,需要寻找各种资料,而且,自己写过的才最容易记住,也算是我给读者的建议吧。

(全文完)