面向对象-设计模式-创建型

2023-12-29 08:50:40

面向对象-设计模式-创建型

　　　　　　晴川历历汉阳树，芳草萋萋鹦鹉洲。

简介：面向对象-设计模式-创建型。

一、概述

何谓设计模式：

设计模式(Design Pattern)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结。

设计模式的好处&学习目的：

1、为了代码可重用行、让代码更易被他人理解、保证代码的可靠性、使代码编写真正实现工程化；

2、设计模式便于我们维护项目，增强系统的健壮性和可扩展性；

3、设计模式还可以锻炼码农的设计思维、升华代码质量等。

二、创建型

单例模式、简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、生成器模式、原型模式。

1、单例（Singleton）

单例模式参考链接：https://www.cnblogs.com/taojietaoge/p/10336439.html

Intent

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

Class Diagram

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

面向对象-设计模式-创建型

Implementation

Ⅰ 懒汉式-线程不安全

以下实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致实例化多次 uniqueInstance。

 1 // 懒汉模式-线程不安全
 2 public class Singleton {
 3 
 4     private static Singleton uniqueInstance;
 5 
 6     private Singleton() {
 7     }
 8 
 9     public static Singleton getUniqueInstance() {
10         if (uniqueInstance == null) {
11             uniqueInstance = new Singleton();
12         }
13         return uniqueInstance;
14     }
15 }

View Code

Ⅱ 饿汉式-线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化多次，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。

但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

 1 // 饿汉模式
 2 public class Singleton {
 3 
 4     private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
 5 
 6     private Singleton() {
 7     }
 8 
 9     public static Singleton getUniqueInstance() {
10         return uniqueInstance;
11     }
12 }

View Code

Ⅲ 懒汉式-线程安全

只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了实例化多次 uniqueInstance。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，即使 uniqueInstance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长，因此该方法有性能问题，不推荐使用。

 1 // 懒汉模式-线程安全方法
 2 public class Singleton {
 3 
 4     private static Singleton uniqueInstance;
 5 
 6     private Singleton() {
 7     }
 8 
 9     public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {  // synchronized 加锁
10         if (uniqueInstance == null) {
11             uniqueInstance = new Singleton();
12         }
13         return uniqueInstance;
14     }
15 }

View Code

Ⅳ 双重校验锁-线程安全

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

 1 // 双重校验锁
 2 public class Singleton {
 3 
 4     private volatile static Singleton uniqueInstance;  // 使用 volatile 关键字修饰，禁止JVM 指令重排序
 5 
 6     private Singleton() {
 7     }
 8 
 9     public static Singleton getUniqueInstance() {
10         if (uniqueInstance == null) {
11             synchronized (Singleton.class) {  // synchronized 对实例化语句加锁
12                 if (uniqueInstance == null) {
13                     uniqueInstance = new Singleton();
14                 }
15             }
16         }
17         return uniqueInstance;
18     }
19 }

View Code

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句：第一个 if 语句用来避免 uniqueInstance 已经被实例化之后的加锁操作，而第二个 if 语句进行了加锁，所以只能有一个线程进入，就不会出现 uniqueInstance == null 时两个线程同时进行实例化操作。

1 if (uniqueInstance == null) {
2     synchronized (Singleton.class) {  // 如果两个线程都执行了 if 语句
3         uniqueInstance = new Singleton();
4     }
5 }

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

为 uniqueInstance 分配内存空间
初始化 uniqueInstance
将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T₁ 执行了 1 和 3，此时 T₂ 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

volatile 如何保证禁止指令重排序参考链接：https://www.cnblogs.com/taojietaoge/p/10260888.html

Ⅴ 静态内部类实现

当 Singleton 类被加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例，并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。

Ⅵ 枚举实现

1 使用枚举类实现单例的好处：写法简单、默认线程安全、反序列化（反射、克隆）时也不会创建新的对象。

 1 // 枚举类实现单例
 2 public enum Singleton {
 3 
 4     INSTANCE;
 5 
 6     private String objName;
 7 
 8 
 9     public String getObjName() {
10         return objName;
11     }
12 
13 
14     public void setObjName(String objName) {
15         this.objName = objName;
16     }
17 
18 
19     public static void main(String[] args) {
20 
21         // 单例测试
22         Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
23         firstSingleton.setObjName("firstName");
24         System.out.println(firstSingleton.getObjName());
25         Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
26         secondSingleton.setObjName("secondName");
27         System.out.println(firstSingleton.getObjName());
28         System.out.println(secondSingleton.getObjName());
29 
30         // 反射获取实例测试
31         try {
32             Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
33             for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
34                 System.out.println(enumConstant.getObjName());
35             }
36         } catch (Exception e) {
37             e.printStackTrace();
38         }
39     }
40 }

View Code

1 输出：
2 firstName
3 secondName
4 secondName
5 secondName

该实现可以防止反射攻击。在其它实现中，通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。

该实现在多次序列化和序列化之后，不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段，并且实现序列化和反序列化的方法。

单例小结

最佳的单例实现模式就是枚举模式。利用枚举的特性，让JVM 来帮我们保证线程安全和单一实例。

2、简单工厂（Simple Factory）

Intent

在创建一个对象时不向客户暴露内部细节，并提供一个创建对象的通用接口。

Class Diagram

简单工厂把实例化的操作单独放到一个类中，这个类就成为简单工厂类，让简单工厂类来决定应该用哪个具体子类来实例化。

这样做能把客户类和具体子类的实现解耦，客户类不再需要知道有哪些子类以及应当实例化哪个子类。客户类往往有多个，如果不使用简单工厂，那么所有的客户类都要知道所有子类的细节。而且一旦子类发生改变，例如增加子类，那么所有的客户类都要进行修改。

面向对象-设计模式-创建型

Implementation

1 public interface Product {
2 }

1 public class ConcreteProduct implements Product {
2 }

1 public class ConcreteProduct1 implements Product {
2 }

public class ConcreteProduct2 implements Product {
}

以下的 Client 类包含了实例化的代码，这是一种错误的实现。如果在客户类中存在这种实例化代码，就需要考虑将代码放到简单工厂中。

 1 // 错误实现
 2 public class Client {
 3 
 4     public static void main(String[] args) {
 5         int type = 1;
 6         Product product;
 7         if (type == 1) {
 8             product = new ConcreteProduct1();
 9         } else if (type == 2) {
10             product = new ConcreteProduct2();
11         } else {
12             product = new ConcreteProduct();
13         }
14         // do what u want to do
15     }
16 }

View Code

以下的 SimpleFactory 是简单工厂实现，它被所有需要进行实例化的客户类调用。

 1 public class SimpleFactory {
 2 
 3     public Product createProduct(int type) {
 4         if (type == 1) {  // 也可以用switch 当对象类型太多
 5             return new ConcreteProduct1();
 6         } else if (type == 2) {
 7             return new ConcreteProduct2();
 8         }
 9         return new ConcreteProduct();
10     }
11 }

1 public class Client {
2     public static void main(String[] args) {
3         SimpleFactory simpleFactory = new SimpleFactory();
4         // 只需要传一个类型参数，实例化具体对象  
5         Product product1 = simpleFactory.createProduct(1);
6         Product product2 = simpleFactory.createProduct(2);
7     }
8 }

3、工厂方法（Factory Method）

Intent

定义了一个创建对象的接口，但由子类决定要实例化哪个类。工厂方法把实例化操作推迟到子类。

Class Diagram

在简单工厂中，创建对象的是另一个类，而在工厂方法中，是由子类来创建对象。

下图中，Factory 有一个 doSomething() 方法，这个方法需要用到一个产品对象，这个产品对象由 factoryMethod() 方法创建。该方法是抽象的，需要由子类去实现。

面向对象-设计模式-创建型

Implementation

1 public abstract class Factory {
2     abstract public Product factoryMethod();  // 抽象方法，由子类去实现
3     public void doSomething() {
4         Product product = factoryMethod();
5         // do something with the product
6     }
7 }

1 public class ConcreteFactory extends Factory {
2     public Product factoryMethod() {
3         return new ConcreteProduct();
4     }
5 }

1 public class ConcreteFactory1 extends Factory {
2     public Product factoryMethod() {
3         return new ConcreteProduct1();
4     }
5 }

1 public class ConcreteFactory2 extends Factory {
2     public Product factoryMethod() {
3         return new ConcreteProduct2();  // 由子类来创建对象
4     }
5 }

4、抽象工厂（Abstract Factory）

Intent

提供一个接口，用于创建相关的对象家族。

Class Diagram

抽象工厂模式创建的是对象家族，也就是很多对象而不是一个对象，并且这些对象是相关的，也就是说必须一起创建出来。而工厂方法模式只是用于创建一个对象，这和抽象工厂模式有很大不同。

抽象工厂模式用到了工厂方法模式来创建单一对象，AbstractFactory 中的 createProductA() 和 createProductB() 方法都是让子类来实现，这两个方法单独来看就是在创建一个对象，这符合工厂方法模式的定义。

至于创建对象的家族这一概念是在 Client 体现，Client 要通过 AbstractFactory 同时调用两个方法来创建出两个对象，在这里这两个对象就有很大的相关性，Client 需要同时创建出这两个对象。

从高层次来看，抽象工厂使用了组合，即 Cilent 组合了 AbstractFactory，而工厂方法模式使用了继承。

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Implementation

1 public class AbstractProductA {
2 }

1 public class AbstractProductB {
2 }

1 public class ProductA1 extends AbstractProductA {
2 }

1 public class ProductA2 extends AbstractProductA {
2 }

1 public class ProductB1 extends AbstractProductB {
2 }

1 public class ProductB2 extends AbstractProductB {
2 }

1 public abstract class AbstractFactory {
2     abstract AbstractProductA createProductA();
3     abstract AbstractProductB createProductB();
4 }

1 public class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory {
2     AbstractProductA createProductA() {
3         return new ProductA1();
4     }
5 
6     AbstractProductB createProductB() {
7         return new ProductB1();
8     }
9 }

1 public class ConcreteFactory2 extends AbstractFactory {
2     AbstractProductA createProductA() {
3         return new ProductA2();
4     }
5 
6     AbstractProductB createProductB() {
7         return new ProductB2();
8     }
9 }

1 public class Client {
2     public static void main(String[] args) {
3         AbstractFactory abstractFactory = new ConcreteFactory1();
4         AbstractProductA productA = abstractFactory.createProductA();
5         AbstractProductB productB = abstractFactory.createProductB();
6         // do something with productA and productB
7     }
8 }

6、生成器（Builder）

Intent

封装一个对象的构造过程，并允许按步骤构造。

Class Diagram

面向对象-设计模式-创建型

Implementation

以下是一个简易的 StringBuilder 实现，参考了 JDK 1.8 源码。

 1 public class AbstractStringBuilder {
 2     protected char[] value;
 3 
 4     protected int count;
 5 
 6     public AbstractStringBuilder(int capacity) {
 7         count = 0;
 8         value = new char[capacity];
 9     }
10 
11     public AbstractStringBuilder append(char c) {
12         ensureCapacityInternal(count + 1);
13         value[count++] = c;
14         return this;
15     }
16 
17     private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
18         // overflow-conscious code
19         if (minimumCapacity - value.length > 0)
20             expandCapacity(minimumCapacity);
21     }
22 
23     void expandCapacity(int minimumCapacity) {
24         int newCapacity = value.length * 2 + 2;
25         if (newCapacity - minimumCapacity < 0)
26             newCapacity = minimumCapacity;
27         if (newCapacity < 0) {
28             if (minimumCapacity < 0) // overflow
29                 throw new OutOfMemoryError();
30             newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
31         }
32         value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
33     }
34 }

View Code

 1 public class StringBuilder extends AbstractStringBuilder {
 2     public StringBuilder() {
 3         super(16);
 4     }
 5 
 6     @Override
 7     public String toString() {
 8         // Create a copy, don‘t share the array
 9         return new String(value, 0, count);
10     }
11 }

View Code

 1 public class Client {
 2     public static void main(String[] args) {
 3         StringBuilder sb = new StringBuilder();
 4         final int count = 26;
 5         for (int i = 0; i < count; i++) {
 6             sb.append((char) (‘a‘ + i));
 7         }
 8         System.out.println(sb.toString());
 9     }
10 }

View Code

abcdefghijklmnopqrstuvwxyz

6、原型模式（Prototype）

Intent

使用原型实例指定要创建对象的类型，通过复制这个原型来创建新对象。

Class Diagram

面向对象-设计模式-创建型

Implementation

1 public abstract class Prototype {
2     abstract Prototype myClone();
3 }

 1 public class ConcretePrototype extends Prototype {
 2 
 3     private String filed;
 4 
 5     public ConcretePrototype(String filed) {
 6         this.filed = filed;
 7     }
 8 
 9     @Override
10     Prototype myClone() {
11         return new ConcretePrototype(filed);
12     }
13 
14     @Override
15     public String toString() {
16         return filed;
17     }
18 }

View Code

1 public class Client {
2     public static void main(String[] args) {
3         Prototype prototype = new ConcretePrototype("abc");
4         Prototype clone = prototype.myClone();
5         System.out.println(clone.toString());  // abc
6     }
7 }

晴川历历汉阳树

　　　　　　芳草萋萋鹦鹉洲

面向对象-设计模式-创建型

码农公寓

一、概述

二、创建型

1、单例（Singleton）

Intent

Class Diagram

Implementation

Ⅰ 懒汉式-线程不安全

Ⅱ 饿汉式-线程安全

Ⅲ 懒汉式-线程安全

Ⅳ 双重校验锁-线程安全

Ⅴ 静态内部类实现

Ⅵ 枚举实现

单例小结

2、简单工厂（Simple Factory）

Intent

Class Diagram

Implementation

3、工厂方法（Factory Method）

Intent

Class Diagram

Implementation

4、抽象工厂（Abstract Factory）

Intent

Class Diagram

Implementation

6、生成器（Builder）

Intent

Class Diagram

Implementation

6、原型模式（Prototype）

Intent

Class Diagram

Implementation

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