Java中的设计模式实例讲解
设计模式的定义
设计模式（Design pattern）代表了最佳的实践，通常被有经验的面向对象的软件开发人员所采用。设计模式是软件开发人员在软件开发过程中面临的一般问题的解决方案。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。
设计模式的分类
Java 中一般认为有 23 种设计模式，我们不需要所有的都会，但是其中常用的几种设计模式应该去掌握。下面列
出了所有的设计模式。需要掌握的设计模式我单独列出来了，当然能掌握的越多越好。
总体来说设计模式分为三大类：
创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。
结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。
行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模
式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。
1. 单例设计模式
单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
注意：
1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
实现
我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。
步骤 1
创建一个 Singleton 类。
SingleObject.java
public class SingleObject {
//创建 SingleObject 的一个对象
private static SingleObject instance = new SingleObject();
//让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
private SingleObject(){}
//获取唯一可用的对象
public static SingleObject getInstance(){
return instance;
}
public void showMessage(){
System.out.println("Hello World!");
}
}
步骤 2
从 singleton 类获取唯一的对象。
SingletonPatternDemo.java
public class SingletonPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
//不合法的构造函数
//编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
//SingleObject object = new SingleObject();
//获取唯一可用的对象
SingleObject object = SingleObject.getInstance();
//显示消息
object.showMessage();
}
}
步骤 3
验证输出。
?
1
Hello World!
饿汉式：
public class Singleton {
// 直接创建对象
private static Singleton instance = new Singleton();
// 私有化构造函数
private Singleton (){}
// 返回对象实例
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
懒汉式：
public class Singleton {
// 声明变量
private static Singleton instance;
// 私有化构造函数
private Singleton (){}
// 提供对外方法
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
2. 工厂设计模式
工厂模式（Factory Pattern）是 Java 中最常用的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
在工厂模式中，我们在创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑，并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象。
工厂模式分为工厂方法模式和抽象工厂模式
一 、工厂方法模式
实现
我们将创建一个 Shape 接口和实现 Shape 接口的实体类。下一步是定义工厂类 ShapeFactory。
步骤 1
创建一个接口。
Shape.java
public interface Shape {
void draw();
}
步骤 2
创建实现接口的实体类。
Circle.java
public class Circle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
}
}
步骤 3
创建一个工厂，生成基于给定信息的实体类的对象。
ShapeFactory.java
public class ShapeFactory {
//使用 getShape 方法获取形状类型的对象
public Shape getShape(String shapeType){
if(shapeType == null){
return null;
}
if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){
return new Circle();
}
return null;
}
}
步骤 4
使用该工厂，通过传递类型信息来获取实体类的对象。
FactoryPatternDemo.java
public class FactoryPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();
//获取 Circle 的对象，并调用它的 draw 方法
Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");
//调用 Circle 的 draw 方法
shape1.draw();
}
}
二、抽象工厂设计模式
工厂方法模式有一个问题就是，类的创建依赖工厂类，也就是说，如果想要拓展程序，必须对工厂类进行修改，这违背了闭包原则，所以，从设计角度考虑，有一定的问题，如何解决？就用到抽象工厂模式，创建多个工厂类，这样一旦需要增加新的功能，直接增加新的工厂类就可以了，不需要修改之前的代码
步骤 1
为形状创建一个接口。
Shape.java
public interface Shape {
void draw();
}
步骤 2
创建实现接口的实体类。
Circle.java
public class Circle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
}
}
步骤 3
为颜色创建一个接口。
Color.java
public interface Color {
void fill();
}
步骤4
创建实现接口的实体类。
Red.java
public class Red implements Color {
@Override
public void fill() {
System.out.println("Inside Red::fill() method.");
}
}
步骤 5
为 Color 和 Shape 对象创建抽象类来获取工厂。
AbstractFactory.java
public abstract class AbstractFactory {
abstract Color getColor(String color);
abstract Shape getShape(String shape) ;
}
步骤 6
创建扩展了 AbstractFactory 的工厂类，基于给定的信息生成实体类的对象。
ShapeFactory.java
public class ShapeFactory extends AbstractFactory {
@Override
public Shape getShape(String shapeType){
if(shapeType == null){
return null;
}
if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){
return new Circle();
return null;
}
@Override
Color getColor(String color) {
return null;
}
}
ColorFactory.java
public class ColorFactory extends AbstractFactory {
@Override
public Shape getShape(String shapeType){
return null;
}
@Override
Color getColor(String color) {
if(color == null){
return null;
}
if(color.equalsIgnoreCase("RED")){
return new Red();
}
return null;
}
}
步骤 7
创建一个工厂创造器/生成器类，通过传递形状或颜色信息来获取工厂。
FactoryProducer.java
public class FactoryProducer {
public static AbstractFactory getFactory(String choice){
if(choice.equalsIgnoreCase("SHAPE")){
return new ShapeFactory();
} else if(choice.equalsIgnoreCase("COLOR")){
return new ColorFactory();
}
return null;
}
}
步骤 8
使用 FactoryProducer 来获取 AbstractFactory，通过传递类型信息来获取实体类的对象。
AbstractFactoryPatternDemo.java
public class AbstractFactoryPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
//获取形状工厂
AbstractFactory shapeFactory = FactoryProducer.getFactory("SHAPE");
//获取形状为 Circle 的对象
Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");
//调用 Circle 的 draw 方法
shape1.draw();
//获取颜色工厂
AbstractFactory colorFactory = FactoryProducer.getFactory("COLOR");
//获取颜色为 Red 的对象
Color color1 = colorFactory.getColor("RED");
//调用 Red 的 fill 方法
color1.fill();
}
}
3. 建造者设计模式
建造者模式（Builder Pattern）使用多个简单的对象一步一步构建成一个复杂的对象。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
一个 Builder 类会一步一步构造最终的对象。该 Builder 类是独立于其他对象的。
实现
我们假设一个快餐店的商业案例，其中，一个典型的套餐可以是一个汉堡（Burger）和一杯冷饮（Cold drink）。汉堡（Burger）可以是素食汉堡（Veg Burger）或鸡肉汉堡（Chicken Burger），它们是包在纸盒中。冷饮（Cold drink）可以是可口可乐（coke）或百事可乐（pepsi），它们是装在瓶子中。
我们将创建一个表示食物条目（比如汉堡和冷饮）的 Item 接口和实现 Item 接口的实体类，以及一个表示食物包装的 Packing 接口和实现 Packing 接口的实体类，汉堡是包在纸盒中，冷饮是装在瓶子中。
步骤 1
创建一个表示食物条目和食物包装的接口。
Item.java
public interface Item {
public String name();
public Packing packing();
public float price();
}
Packing.java
public interface Packing {
public String pack();
}
步骤 2
创建实现 Packing 接口的实体类。
Wrapper.java
public class Wrapper implements Packing {
@Override
public String pack() {
return "Wrapper";
}
}
Bottle.java
public class Bottle implements Packing {
@Override
public String pack() {
return "Bottle";
}
}
步骤 3
创建实现 Item 接口的抽象类，该类提供了默认的功能。
Burger.java
public abstract class Burger implements Item {
@Override
public Packing packing() {
return new Wrapper();
}
@Override
public abstract float price();
}
ColdDrink.java
public abstract class ColdDrink implements Item {
@Override
public Packing packing() {
return new Bottle();
}
@Override
public abstract float price();
}
步骤 4
创建扩展了 Burger 和 ColdDrink 的实体类。
VegBurger.java
public class VegBurger extends Burger {
@Override
public float price() {
return 25.0f;
}
@Override
public String name() {
return "Veg Burger";
}
}
步骤 5
创建一个 Meal 类，带有上面定义的 Item 对象。
Meal.java
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Meal {
private List<item> items = new ArrayList<item>();
public void addItem(Item item){
items.add(item);
}
public float getCost(){
float cost = 0.0f;
for (Item item : items) {
cost += item.price();
}
return cost;
}
public void showItems(){
for (Item item : items) {
System.out.print("Item : "+item.name());
System.out.print(", Packing : "+item.packing().pack());
System.out.println(", Price : "+item.price());
}
}
}</item></item>
步骤 6
创建一个 MealBuilder 类，实际的 builder 类负责创建 Meal 对象。
MealBuilder.java
public class MealBuilder {
public Meal prepareVegMeal (){
Meal meal = new Meal();
meal.addItem(new VegBurger());
meal.addItem(new Coke());
return meal;
}
public Meal prepareNonVegMeal (){
Meal meal = new Meal();
meal.addItem(new ChickenBurger());
meal.addItem(new Pepsi());
return meal;
}
}
步骤 7
BuiderPatternDemo 使用 MealBuider 来演示建造者模式（Builder Pattern）。
BuilderPatternDemo.java
public class BuilderPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
MealBuilder mealBuilder = new MealBuilder();
Meal vegMeal = mealBuilder.prepareVegMeal();
System.out.println("Veg Meal");
vegMeal.showItems();
System.out.println("Total Cost: " +vegMeal.getCost());
Meal nonVegMeal = mealBuilder.prepareNonVegMeal();
System.out.println("\n\nNon-Veg Meal");
nonVegMeal.showItems();
System.out.println("Total Cost: " +nonVegMeal.getCost());
}
}
3. 建造者设计模式
适配器模式（Adapter Pattern）是作为两个不兼容的接口之间的桥梁。这种类型的设计模式属于结构型模式，它结合了两个独立接口的功能。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责加入独立的或不兼容的接口功能。举个真实的例子，读卡器是作为内存卡和笔记本之间的适配器。您将内存卡插入读卡器，再将读卡器插入笔记本，这样就可以通过笔记本来读取内存卡。
我们通过下面的实例来演示适配器模式的使用。其中，音频播放器设备只能播放 mp3 文件，通过使用一个更高级的音频播放器来播放 vlc 和 mp4 文件。
实现
我们有一个 MediaPlayer 接口和一个实现了 MediaPlayer 接口的实体类 AudioPlayer。默认情况下，AudioPlayer 可以播放 mp3 格式的音频文件。
我们还有另一个接口 AdvancedMediaPlayer 和实现了 AdvancedMediaPlayer 接口的实体类。该类可以播放 vlc 和 mp4 格式的文件。
我们想要让 AudioPlayer 播放其他格式的音频文件。为了实现这个功能，我们需要创建一个实现了 MediaPlayer 接口的适配器类 MediaAdapter，并使用 AdvancedMediaPlayer 对象来播放所需的格式。
AudioPlayer 使用适配器类 MediaAdapter 传递所需的音频类型，不需要知道能播放所需格式音频的实际类。
步骤 1
为媒体播放器和更高级的媒体播放器创建接口。
MediaPlayer.java
public interface MediaPlayer {
public void play(String audioType, String fileName);
}
AdvancedMediaPlayer.java
public interface AdvancedMediaPlayer {
public void playVlc(String fileName);
public void playMp4(String fileName);
}
步骤 2
创建实现了 AdvancedMediaPlayer 接口的实体类。
VlcPlayer.java
public class VlcPlayer implements AdvancedMediaPlayer{
@Override
public void playVlc(String fileName) {
System.out.println("Playing vlc file. Name: "+ fileName);
}
@Override
public void playMp4(String fileName) {
//什么也不做
}
}
Mp4Player.java
public class Mp4Player implements AdvancedMediaPlayer{
@Override
public void playVlc(String fileName) {
//什么也不做
}
@Override
public void playMp4(String fileName) {
System.out.println("Playing mp4 file. Name: "+ fileName);
}
}
步骤 3
创建实现了 MediaPlayer 接口的适配器类。
MediaAdapter.java
public class MediaAdapter implements MediaPlayer {
AdvancedMediaPlayer advancedMusicPlayer;
public MediaAdapter(String audioType){
if(audioType.equalsIgnoreCase("vlc") ){
advancedMusicPlayer = new VlcPlayer();
} else if (audioType.equalsIgnoreCase("mp4")){
advancedMusicPlayer = new Mp4Player();
}
}
@Override
public void play(String audioType, String fileName) {
if(audioType.equalsIgnoreCase("vlc")){
advancedMusicPlayer.playVlc(fileName);
}else if(audioType.equalsIgnoreCase("mp4")){
advancedMusicPlayer.playMp4(fileName);
}
}
}
步骤 4
创建实现了 MediaPlayer 接口的实体类。
AudioPlayer.java
public class AudioPlayer implements MediaPlayer {
MediaAdapter mediaAdapter;
@Override
public void play(String audioType, String fileName) {
//播放 mp3 音乐文件的内置支持
if(audioType.equalsIgnoreCase("mp3")){
System.out.println("Playing mp3 file. Name: "+ fileName);
}
//mediaAdapter 提供了播放其他文件格式的支持
else if(audioType.equalsIgnoreCase("vlc")
|| audioType.equalsIgnoreCase("mp4")){
mediaAdapter = new MediaAdapter(audioType);
mediaAdapter.play(audioType, fileName);
}
else{
System.out.println("Invalid media. "+
audioType + " format not supported");
}
}
}
步骤 5
使用 AudioPlayer 来播放不同类型的音频格式。
AdapterPatternDemo.java
public class AdapterPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
AudioPlayer audioPlayer = new AudioPlayer();
audioPlayer.play("mp3", "beyond the horizon.mp3");
audioPlayer.play("mp4", "alone.mp4");
audioPlayer.play("vlc", "far far away.vlc");
audioPlayer.play("avi", "mind me.avi");
}
}
4. 装饰者设计模式
装饰器模式（Decorator Pattern）允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。这种类型的设计模式属于结构型模式，它是作为现有的类的一个包装。
这种模式创建了一个装饰类，用来包装原有的类，并在保持类方法签名完整性的前提下，提供了额外的功能。
我们通过下面的实例来演示装饰器模式的用法。其中，我们将把一个形状装饰上不同的颜色，同时又不改变形状类。
实现
我们将创建一个 Shape 接口和实现了 Shape 接口的实体类。然后我们创建一个实现了 Shape 接口的抽象装饰类 ShapeDecorator，并把 Shape 对象作为它的实例变量。
RedShapeDecorator 是实现了 ShapeDecorator 的实体类。
步骤 1
创建一个接口。
Shape.java
public interface Shape {
void draw();
}
步骤 2
创建实现接口的实体类。
Rectangle.java
public class Rectangle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Shape: Rectangle");
}
}
Circle.java
public class Circle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Shape: Circle");
}
}
步骤 3
创建实现了 Shape 接口的抽象装饰类。
ShapeDecorator.java
public abstract class ShapeDecorator implements Shape {
protected Shape decoratedShape;
public ShapeDecorator(Shape decoratedShape){
this.decoratedShape = decoratedShape;
}
public void draw(){
decoratedShape.draw();
}
}
步骤 4
创建扩展了 ShapeDecorator 类的实体装饰类。
RedShapeDecorator.java
public class RedShapeDecorator extends ShapeDecorator {
public RedShapeDecorator(Shape decoratedShape) {
super(decoratedShape);
}
@Override
public void draw() {
decoratedShape.draw();
setRedBorder(decoratedShape);
}
private void setRedBorder(Shape decoratedShape){
System.out.println("Border Color: Red");
}
}
步骤 5
使用 RedShapeDecorator 来装饰 Shape 对象。
DecoratorPatternDemo.java
public class DecoratorPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
Shape circle = new Circle();
Shape redCircle = new RedShapeDecorator(new Circle());
Shape redRectangle = new RedShapeDecorator(new Rectangle());
System.out.println("Circle with normal border");
circle.draw();
System.out.println("\nCircle of red border");
redCircle.draw();
System.out.println("\nRectangle of red border");
redRectangle.draw();
}
}
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