記錄自己理解的一些設計模式

釋皇天 2017-04-23

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來源：fangjian0423，
fangjian0423.github.io/2017/03/26/design-pattern/
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記錄一下自己理解的一些設計模式，并盡量使用表達清楚的例子進行講解。

策略模式

策略模式應該是最基礎的一個設計模式，它是對行為的一個抽象。jdk中的Comparator比較器就是一個使用策略設計模式的策略。

比如有一個Student學生類，有name和age兩個屬性。如果有個需求需要打印學生名單，并按照字母順序排序，可以使用Comparator接口并在內部使用name進行比較即可。如果哪一天需要按照年齡進行排序，那么只需要修改Comparator即可，也就是使用一個新的策略，其它完全不變。

工廠模式

工廠模式的意義在于對象的創(chuàng)建、管理可以使用工廠去管理，而不是創(chuàng)建者自身。最典型的工廠模式使用者就是Spring，Spring內部的容器就是一個工廠，所有的bean都由這個容器管理，包括它們的創(chuàng)建、銷毀、注入都被這個容器管理。

工廠模式分簡單工廠和抽象工廠。它們的區(qū)別在于抽象工廠抽象程度更高，把工廠也抽象成了一個接口，這樣可以再每添加一個新的對象的時候而不需要修改工廠的代碼。

比如有個Repository接口，用于存儲數據，有DatabaseRepository，CacheRepository，FileRepository分別在數據庫，緩存，文件中存儲數據，定義如下：

public interface Repository {
void save(Object obj);
}

class DatabaseRepository implements Repository {
@Override
public void save(Object obj) {
System.out.println('save in database');
}
}
class CacheRepository implements Repository {
@Override
public void save(Object obj) {
System.out.println('save in cache');
}
}
class FileRepository implements Repository {
@Override
public void save(Object obj) {
System.out.println('save in file');
}
}

簡單工廠的使用

public class RepositoryFactory {

public Repository create(String type) {
Repository repository = null;
switch (type) {
case 'db':
repository = new DatabaseRepository();
break;
case 'cache':
repository = new CacheRepository();
break;
case 'file':
repository = new FileRepository();
break;
}
return repository;
}

public static void main(String[] args) {
RepositoryFactory factory = new RepositoryFactory();
factory.create('db').save(new Object());
factory.create('cache').save(new Object());
factory.create('file').save(new Object());
}
}

簡單工廠的弊端在于每添加一個新的Repository，都必須修改RepositoryFactory中的代碼。

抽象工廠的使用

public interface RepositoryFactoryProvider {
Repository create();
}

class DatabaseRepositoryFactory implements RepositoryFactoryProvider {
@Override
public Repository create() {
return new DatabaseRepository();
}
}
class CacheRepositoryFactory implements RepositoryFactoryProvider {
@Override
public Repository create() {
return new CacheRepository();
}
}
class FileRepositoryFactory implements RepositoryFactoryProvider {
@Override
public Repository create() {
return new FileRepository();
}
}

抽象工廠的測試：

RepositoryFactoryProvider dbProvider = new DatabaseRepositoryFactory();
dbProvider.create().save(new Object());
RepositoryFactoryProvider cacheProvider = new CacheRepositoryFactory();
cacheProvider.create().save(new Object());
RepositoryFactoryProvider fileProvider = new FileRepositoryFactory();
fileProvider.create().save(new Object());

抽象工廠把工廠也進行了抽象話，所以添加一個新的Repository的話，只需要新增一個RepositoryFactory即可，原有代碼不需要修改。

裝飾者模式

裝飾者模式的作用就在于它可以在不改變原有類的基礎上動態(tài)地給類添加新的功能。之前寫過一篇通過源碼分析MyBatis的緩存文章，mybatis中的query就是使用了裝飾者設計模式。

用一段簡單的代碼來模擬一下mybatis中query的實現原理：

@Data
@AllArgsConstructor
@ToString
class Result { // 查詢結果類，相當于一個domain
private Object obj;
private String sql;
}

public interface Query { // 查詢接口，有簡單查詢和緩存查詢
Result query(String sql);
}

public class SimpleQuery implements Query { // 簡單查詢，相當于直接查詢數據庫，這里直接返回Result，相當于是數據庫查詢的結果
@Override
public Result query(String sql) {
return new Result(new Object(), sql);
}
}

public class CacheQuery implements Query { // 緩存查詢，如果查詢相同的sql，不直接查詢數據庫，而是返回map中存在的Result
private Query query;
private Map cache = new HashMap<>();
public CacheQuery(Query query) {
this.query = query;
}
@Override
public Result query(String sql) {
if(cache.containsKey(sql)) {
return cache.get(sql);
}
Result result = query.query(sql);
cache.put(sql, result);
return result;
}
}

測試：

Query simpleQuery = new SimpleQuery();
System.out.println(simpleQuery.query('select * from t_student') == simpleQuery.query('select * from t_student')); // false
Query cacheQuery = new CacheQuery(simpleQuery);
System.out.println(cacheQuery.query('select * from t_student') == cacheQuery.query('select * from t_student')); // true

這里CacheQuery就是一個裝飾類，SimpleQuery是一個被裝飾者。我們通過裝飾者設計模式動態(tài)地給SimpleQuery添加了緩存功能，而不需要修改SimpleQuery的代碼。

當然，裝飾者模式也有缺點，就是會存在太多的類。

如果我們需要添加一個過濾的查詢(sql中有敏感字的就直接返回null，而不查詢數據庫)，只需要可以添加一個FilterQuery裝飾者即可：

public class FilterQuery implements Query {
private Query query;
private List words = new ArrayList<>();
public FilterQuery(Query query) {
this.query = query;
words.add('fuck');
words.add('sex');
}
@Override
public Result query(String sql) {
for(String word : words) {
if(sql.contains(word)) return null;
}
return query.query(sql);
}
}

Query filterQuery = new FilterQuery(simpleQuery);
System.out.println(filterQuery.query('select * from t_student where name = 'fuck'')); // null
System.out.println(filterQuery.query('select * from t_student where name = 'format'')); // Result(obj=java.lang.Object@1b4fb997, sql=select * from t_student where name = 'format')

代理模式

代理模式的作用是使用一個代理類來代替原先類進行操作。比較常見的就是aop中就是使用代理模式完成事務的處理。

代理模式分靜態(tài)代理和動態(tài)代理，靜態(tài)代理的原理就是對目標對象進行封裝，最后調用目標對象的方法即可。

動態(tài)代理跟靜態(tài)代理的區(qū)別就是動態(tài)代理中的代理類是程序運行的時候生成的。Spring中對于接口的代理使用jdk內置的Proxy和InvocationHandler實現，對于類的代理使用cglib完成。

以1個UserService為例，使用jdk自帶的代理模式完成計算方法調用時間的需求：

// UserService接口
public interface IUserService {
void printAll();
}
// UserService實現類
class UserService implements IUserService {
@Override
public void printAll() {
System.out.println('print all users');
}
}
// InvocationHandler策略，這里打印了方法調用前后的時間
@AllArgsConstructor
class UserInvocationHandler implements InvocationHandler {
private IUserService userService;
@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
System.out.println('start : ' + System.currentTimeMillis());
Object result = method.invoke(userService, args);
System.out.println('end : ' + System.currentTimeMillis());
return result;
}
}

測試：

IUserService userService = new UserService();
UserInvocationHandler uih = new UserInvocationHandler(userService);
IUserService proxy = (IUserService) Proxy.newProxyInstance(userService.getClass().getClassLoader(), new Class[] {IUserService.class}, uih);
proxy.printAll(); // 打印出start : 1489665566456 print all users end : 1489665566457

組合模式

組合模式經常跟策略模式配合使用，用來組合所有的策略，并遍歷這些策略找出滿足條件的策略。之前寫過一篇SpringMVC關于json、xml自動轉換的原理研究文章，里面springmvc把返回的返回值映射給用戶的response做了一層抽象，封裝到了HandlerMethodReturnValueHandler策略接口中。

在HandlerMethodReturnValueHandlerComposite類中，使用存在的HandlerMethodReturnValueHandler對返回值進行處理，在HandlerMethodReturnValueHandlerComposite內部的代碼如下：

// 策略集合
private final List returnValueHandlers = new ArrayList();

@Override
public void handleReturnValue(Object returnValue, MethodParameter returnType,
ModelAndViewContainer mavContainer, NativeWebRequest webRequest) throws Exception {
// 調用selectHandler方法
HandlerMethodReturnValueHandler handler = selectHandler(returnValue, returnType);
if (handler == null) {
throw new IllegalArgumentException('Unknown return value type: ' + returnType.getParameterType().getName());
}
handler.handleReturnValue(returnValue, returnType, mavContainer, webRequest); // 使用找到的handler進行處理
}

private HandlerMethodReturnValueHandler selectHandler(Object value, MethodParameter returnType) {
boolean isAsyncValue = isAsyncReturnValue(value, returnType);
// 遍歷存在的HandlerMethodReturnValueHandler
for (HandlerMethodReturnValueHandler handler : this.returnValueHandlers) {
if (isAsyncValue && !(handler instanceof AsyncHandlerMethodReturnValueHandler)) {
continue;
}
if (handler.supportsReturnType(returnType)) { // 找到匹配的handler
return handler;
}
}
return null;
}

模板模式

跟策略模式類似，模板模式會先定義好實現的邏輯步驟，但是具體的實現方式由子類完成，跟策略模式的區(qū)別就是模板模式是有邏輯步驟的。比如要給院系里的學生排序，并取出排名第一的學生。這里就有2個步驟，分別是排序和取出第一名學生。

一段偽代碼：

public abstract class AbstractStudentGetter {
public final Student getStudent(List students) {
sort(students); // 第一步
if(!CollectionUtils.isEmpty(students)) {
return students.get(0); // 第二步
}
return null;
}
abstract public void sort(List students);
}
class AgeStudentGetter extends AbstractStudentGetter { // 取出年紀最大的學生
@Override
public void sort(List students) {
students.sort(new Comparator() {
@Override
public int compare(Student s1, Student s2) {
return s2.getAge() - s1.getAge();
}
});
}
}
class NameStudentGetter extends AbstractStudentGetter { // 按照名字字母排序取出第一個學生
@Override
public void sort(List students) {
students.sort(new Comparator() {
@Override
public int compare(Student s1, Student s2) {
return s2.getName().compareTo(s1.getName());
}
});
}
}

測試：

AbstractStudentGetter ageGetter = new AgeStudentGetter();
AbstractStudentGetter nameGetter = new NameStudentGetter();

List students = new ArrayList<>();
students.add(new Student('jim', 22));
students.add(new Student('format', 25));

System.out.println(ageGetter.getStudent(students)); // Student(name=format, age=25)
System.out.println(nameGetter.getStudent(students)); // Student(name=jim, age=22)

觀察者設計模式

觀察者設計模式主要的使用場景在于一個對象變化之后，依賴該對象的對象會收到通知。典型的例子就是rss的訂閱，當訂閱了博客的rss之后，當博客更新之后，訂閱者就會收到新的訂閱信息。

jdk內置提供了Observable和Observer，用來實現觀察者模式：

// 定義一個Observable
public class MetricsObserable extends Observable {
private Map counterMap = new HashMap<>();
public void updateCounter(String key, Long value) {
counterMap.put(key, value);
setChanged();
notifyObservers(counterMap);
}
}
// Observer
public class AdminA implements Observer {
@Override
public void update(Observable o, Object arg) {
System.out.println('adminA: ' + arg);
}
}
public class AdminB implements Observer {
@Override
public void update(Observable o, Object arg) {
System.out.println('adminB: ' + arg);
}
}

測試：

MetricsObserable metricsObserable = new MetricsObserable();
metricsObserable.addObserver(new AdminA());
metricsObserable.addObserver(new AdminB());
metricsObserable.updateCounter('request-count', 100l);

打印出：

adminB: {request-count=100}
adminA: {request-count=100}

享元模式

線程池中會構造幾個核心線程用于處理，這些線程會去取阻塞隊列里的任務然后進行執(zhí)行。這些線程就是會被共享、且被重復使用的。因為線程的創(chuàng)建、銷毀、調度都是需要消耗資源的，沒有必要每次創(chuàng)建新的線程，而是共用一些線程。這就是享元模式的使用。類似的還有jdbc連接池，對象池等。

之前有一次面試被問到：

Integer.valueOf('1') == Integer.valueOf('1') // true還是false

當時回答的是false，后來翻了下Integer的源碼發(fā)現Integer里面有個內部類IntegerCache，用于緩存一些共用的Integer。這個緩存的范圍可以在jvm啟動的時候進行設置。

其實后來想想也應該這么做，我們沒有必要每次使用對象的時候都返回新的對象，可以共享這些對象，因為新對象的創(chuàng)建都是需要消耗內存的。

適配器模式

適配器模式比較好理解。像生活中插線口的插頭有2個口的，也有3個口的。如果電腦的電源插口只有3個口的，但是我們需要一個2個口的插口的話，這個時候就需要使用插座來外接這個3個口的插頭，插座上有2個口的插頭。

這個例子跟我們編程一樣，當用戶系統(tǒng)的接口跟我們系統(tǒng)內部的接口不一致時，我們可以使用適配器來完成接口的轉換。

使用繼承的方式實現類的適配：

public class Source {
public void method() {
System.out.println('source method');
}
}
interface Targetable {
void method();
void newMethod();
}
class Adapter extends Source implements Targetable {
@Override
public void newMethod() {
System.out.println('new method');
}
}