Java的23种设计模式

### Java的23种设计模式详解 #### 一、引言 设计模式是软件工程领域的一个重要概念，它提供了一套解决常见问题的有效方案。在Java编程语言中，设计模式被广泛应用于各种软件项目的开发中，以提高代码的可复用性、灵活性和维护性。本文将详细介绍23种经典的设计模式，这些模式被分为三大类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。 #### 二、创建型模式 **1. 工厂方法模式** - **定义**：定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。Factory Method模式使一个类的实例化延迟到其子类。 - **适用性**： - 当一个类不知道它所必须创建的对象的类的时候。 - 当一个类希望由它的子类来指定它所创建的对象的时候。 - 当类将创建对象的职责委托给多个帮助子类中的某一个，并且希望将哪一个帮助子类是代理者这一信息局部化的时候。 - **参与者**： - **Product**：定义工厂方法所创建的对象的接口。 - **ConcreteProduct**：实现Product接口。 - **Creator**：声明工厂方法，该方法返回一个Product类型的对象。Creator也可以定义一个工厂方法的缺省实现，它返回一个缺省的ConcreteProduct对象。 - **ConcreteCreator**：重定义工厂方法以返回一个ConcreteProduct实例。 - **示例**： ```java public interface Work { void doWork(); } public class StudentWork implements Work { public void doWork() { System.out.println("学生做作业!"); } } public class TeacherWork implements Work { public void doWork() { System.out.println("老师审批作业!"); } } public interface IWorkFactory { Work getWork(); } public class StudentWorkFactory implements IWorkFactory { @Override public Work getWork() { return new StudentWork(); } } ``` **2. 抽象工厂模式** - **定义**：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。 - **适用性**：当一个系统应该独立于它的产品创建、组合和表示时；当一个系统要由多个产品系列中的一个来配置时等。 - **参与者**： - **Factory**：定义一个接口，用于创建不同类型的产品对象。 - **ConcreteFactory**：实现Factory接口，创建并返回具体的产品对象。 - **Product**：定义产品的接口。 - **ConcreteProduct**：实现Product接口，创建具体的产品对象。 - **示例**：假设需要创建不同品牌的汽车部件，如轮胎、引擎等，可以使用抽象工厂模式来实现。 **3. 建造者模式** - **定义**：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。 - **适用性**：当创建复杂对象的算法应该独立于组成该对象的部件以及它们的装配方式时；当构造过程必须允许被构造的对象有不同的表示时等。 - **参与者**： - **Director**：负责安排复杂对象的建造。它使用建造者接口定义的构建步骤。 - **Builder**：定义一个用于构建复杂对象的接口。 - **ConcreteBuilder**：实现Builder接口，创建和装配复杂对象的不同部件。 - **Product**：最终创建出来的复杂对象。 **4. 单例模式** - **定义**：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。 - **适用性**：当需要控制资源的唯一实例时。 - **参与者**： - **Singleton**：定义了一个静态方法来获取单例对象。 **5. 原型模式** - **定义**：通过复制现有的实例来创建新对象。 - **适用性**：当创建对象的成本很高时；当类初始化的开销很大时。 - **参与者**： - **Prototype**：定义了克隆自己的接口。 - **ConcretePrototype**：实现了Prototype接口，提供了克隆自己的方法。 #### 三、结构型模式 接下来，我们将探讨结构型模式，这些模式主要关注类和对象的组合。结构型模式有助于简化复杂的类结构，并使其更易于理解和维护。 **1. 适配器模式** - **定义**：将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口。 - **适用性**：当需要将现有类集成到新的环境中时。 - **参与者**： - **Target**：定义客户使用的接口。 - **Adaptee**：定义需要适配的接口。 - **Adapter**：通过适配Adaptee接口，将自己伪装成Target接口。 **2. 桥接模式** - **定义**：将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立变化。 - **适用性**：当一个类存在两个独立变化的维度时。 - **参与者**： - **Abstraction**：定义使用实现部分的接口。 - **Implementor**：定义实现部分的接口。 - **Refined Abstraction**：扩展Abstraction，提供更多的功能。 - **Concrete Implementor**：实现Implementor接口。 **3. 组合模式** - **定义**：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。 - **适用性**：当需要表示一个具有层级关系的对象集合时。 - **参与者**： - **Component**：定义了在客户端看来，单个对象和组合对象的共同行为。 - **Leaf**：定义没有子对象的节点的行为。 - **Composite**：定义包含子对象的节点的行为。 **4. 装饰模式** - **定义**：动态地给一个对象添加一些额外的职责。 - **适用性**：当需要增加对象的功能时。 - **参与者**： - **Component**：定义一个对象接口，可以给这些对象动态地添加职责。 - **Concrete Component**：定义一个对象。 - **Decorator**：持有一个Component对象的引用，并定义一个与Component接口一致的接口。 - **Concrete Decorator**：给Component对象添加职责。 **5. 外观模式** - **定义**：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面。 - **适用性**：当一个子系统很复杂时。 - **参与者**： - **Facade**：定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。 - **Subsystems**：定义子系统的接口。 **6. 享元模式** - **定义**：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。 - **适用性**：当系统中有大量相似的对象时。 - **参与者**： - **Flyweight**：定义了享元接口。 - **Concrete Flyweight**：实现Flyweight接口。 - **Unshared Concrete Flyweight**：不能共享的享元。 **7. 代理模式** - **定义**：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。 - **适用性**：当直接访问某个对象会带来不便时。 - **参与者**： - **Subject**：定义了RealSubject和Proxy的公共接口。 - **RealSubject**：定义了代理对象所代表的真实对象。 - **Proxy**：包含一个RealSubject的引用，可以在适当的时候通过这个引用对RealSubject进行操作。 #### 四、行为型模式 我们将探讨行为型模式，这些模式主要关注对象之间的通信方式。行为型模式有助于定义如何在对象之间传递消息。 **1. 责任链模式** - **定义**：使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。 - **适用性**：当处理一个请求需要多个对象时。 - **参与者**： - **Handler**：定义一个处理请求的接口。 - **Concrete Handler**：实现Handler接口，处理请求。 **2. 命令模式** - **定义**：将一个请求封装为一个对象，从而使你可用不同的请求对客户端进行参数化；对请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销的操作。 - **适用性**：当需要支持可撤销的操作时。 - **参与者**： - **Command**：定义执行操作的接口。 - **Concrete Command**：定义并执行具体的命令。 - **Invoker**：请求一个命令对象执行一个操作。 - **Receiver**：知道如何实施与执行一个命令相关的操作。 **3. 解释器模式** - **定义**：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。 - **适用性**：当需要解析某种语法时。 - **参与者**： - **Abstract Expression**：声明一个解释器接口。 - **Terminal Expression**：实现与文法中的终端符号相关的解释操作。 - **Non-terminal Expression**：实现与文法中的非终端符号相关的解释操作。 **4. 迭代器模式** - **定义**：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不暴露该对象的内部表示。 - **适用性**：当需要遍历一个容器中的元素时。 - **参与者**： - **Iterator**：定义访问和遍历元素的接口。 - **Concrete Iterator**：存储迭代状态。 - **Aggregate**：定义创建迭代器对象的接口。 **5. 中介者模式** - **定义**：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。 - **适用性**：当对象之间存在复杂的依赖关系时。 - **参与者**： - **Mediator**：定义同事之间的协作规则。 - **Concrete Mediator**：实现Mediator接口。 - **Colleague**：定义同事类。 **6. 备忘录模式** - **定义**：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。 - **适用性**：当需要保存和恢复对象的状态时。 - **参与者**： - **Originator**：创建一个备忘录，用来记录当前时刻自身的内部状态。 - **Caretaker**：负责保存和获取备忘录。 - **Memento**：负责存储Originator对象的内部状态。 **7. 观察者模式** - **定义**：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。 - **适用性**：当一个对象的改变需要通知其他对象时。 - **参与者**： - **Subject**：定义了一个Attach方法，用于附加一个观察者。 - **Observer**：定义更新接口，使自身状态与主题状态相协调。 - **Concrete Observer**：存储主体对象在其内部结构中的引用。 **8. 状态模式** - **定义**：允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。 - **适用性**：当一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为时。 - **参与者**： - **Context**：定义客户感兴趣的接口。 - **State**：定义一个接口，用于封装与Context的一个特定状态相关的行为。 - **Concrete State**：实现State接口，定义一个状态中的行为。 **9. 策略模式** - **定义**：定义一系列的算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可相互替换。 - **适用性**：当许多相关的类仅仅是行为有异时。 - **参与者**： - **Strategy**：定义算法的接口。 - **Concrete Strategy**：实现Strategy接口，提供不同的行为。 - **Context**：定义算法接口的上下文环境。 **10. 模板方法模式** - **定义**：定义一个操作中的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中。 - **适用性**：当一个算法的步骤已经确定，但某些步骤的细节还需要子类实现时。 - **参与者**： - **Abstract Class**：定义一个算法的框架，并将某些步骤留给子类去实现。 - **Concrete Class**：实现父类中定义的抽象方法。 **11. 访问者模式** - **定义**：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。 - **适用性**：当需要对一个对象结构中的对象进行很多不同的并且不相关的操作时。 - **参与者**： - **Visitor**：定义一个访问具体元素的接口。 - **Concrete Visitor**：实现Visitor接口。 - **Element**：定义一个接受操作。 通过以上对这23种设计模式的详细介绍，我们可以看到每种模式都有其独特的应用场景和价值。在实际开发中，合理运用这些设计模式能够显著提升代码的质量和项目的成功率。希望本文能够帮助开发者更好地理解和应用这些设计模式。