Java设计模式

一、设计模式概述

1、什么是设计模式？

设计模式是一套经过反复使用的代码设计经验，目的是为了 重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性 。设计模式于己于人于系统都是多赢的，它使得代码编写真正工程化，它是软件工程的基石，如同大厦的一块块砖石一样。项目中合理的运用设计模式可以完美的解决很多问题，每种模式在现实中都有相应的原理来与之对应，每种模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案，这也是它能被广泛应用的原因。总体来说，设计模式分为三大类：
① 创建型模式： 共5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。
② 结构型模式： 共7种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、桥接模式、外观模式、组合模式、享元模式。
③ 行为型模式： 共11种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、责任链模式、访问者模式、中介者模式、迭代器模式、命令模式、状态模式、备忘录模式、解释器模式。
参考链接：Java常见设计模式总结

2、设计模式的6大原则

开闭原则（Open Close Principle）
开闭原则指的是对扩展开放，对修改关闭。在对程序进行扩展的时候，不能去修改原有的代码，想要达到这样的效果，我们就需要使用接口或者抽象类。
依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）
依赖倒置原则是开闭原则的基础，指的是针对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。
里氏替换原则（Liskov Substitution Principle）
里氏替换原则是继承与复用的基石，只有当子类可以替换掉基类，且系统的功能不受影响时，基类才能被复用，而子类也能够在基础类上增加新的行为。所以里氏替换原则指的是任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。
里氏替换原则是对“开闭原则”的补充，实现“开闭原则”的关键步骤就是抽象化，而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏替换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。
接口隔离原则（Interface Segregation Principle）
使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好，降低接口之间的耦合度与依赖，方便升级和维护方便。
迪米特原则（Demeter Principle）
迪米特原则，也叫最少知道原则，指的是一个类应当尽量减少与其他实体进行相互作用，使得系统功能模块相对独立，降低耦合关系。该原则的初衷是降低类的耦合，虽然可以避免与非直接的类通信，但是要通信，就必然会通过一个“中介”来发生关系，过分的使用迪米特原则，会产生大量的中介和传递类，导致系统复杂度变大，所以采用迪米特法则时要反复权衡，既要做到结构清晰，又要高内聚低耦合。
合成复用原则（Composite Reuse Principle）
尽量使用组合/聚合的方式，而不是使用继承。

3、具体的设计模式

1、单例模式

单例模式可以确保系统中某个 类只有一个实例 ，该类自行实例化并向整个系统提供这个实例的公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。单例模式的优点在于：
① 系统中只存在一个共用的实例对象，无需频繁创建和销毁对象，节约了系统资源，提高系统的性能。
② 可以严格控制客户怎么样以及何时访问单例对象。
单例模式的写法有好几种，主要有三种：懒汉式单例、饿汉式单例、登记式单例。
参考链接：Java设计模式之创建型：单例模式

懒汉式单例
懒汉式单例是在 第一次调用的时候实例化对象 。

Singleton通过私有化构造函数，避免类在外部被实例化，而且只能通过getInstance()方法获取Singleton的唯一实例。但是以上懒汉式单例的实现是线程不安全的，在并发环境下可能出现多个Singleton实例的问题。
3种线程安全的懒汉式单例实现方法：
① 在getInstance()方法上加同步机制
在这里插入图片描述
② 双重检查锁定

Q：为什么使用两个 if (singleton == null) 进行判断？

假设高并发下，线程A、B都通过了第一个if条件。若A先抢到锁，new了一个对象，释放锁，然后线程B再抢到锁，此时如果不做第二个if判断，B线程将会再new一个对象。使用两个if判断，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗。

Q：volatile 关键字的作用？

volatile的作用主要是禁止指定重排序。假设在不使用volatile的情况下，两个线程A、B，都是第一次调用该单例方法，线程A先执行singleton = new Singleton()，但由于构造方法不是一个原子操作，编译后会生成多条字节码指令，由于JAVA的指令重排序，可能会先执行singleton 的赋值操作，该操作实际只是在内存中开辟一片存储对象的区域后直接返回内存的引用，之后 singleton 便不为空了，但是实际的初始化操作却还没有执行。如果此时线程B进入，就会拿到一个不为空的但是没有完成初始化的singleton 对象，所以需要加入volatile关键字，禁止指令重排序优化，从而安全的实现单例。

③ 静态内部类
在这里插入图片描述

利用了类加载机制来保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，这种比上面1、2都好一些，既实现了线程安全，又避免了同步带来的性能影响。

饿汉式单例
饿汉式单例，在 类初始化的时候已经自行实例化（即定义的时候就创建了）

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以 天生是线程安全的。
饿汉式和懒汉式的区别
（1）初始化时机与首次调用：
饿汉式是在类加载时，就将单例初始化完成，保证获取实例的时候，单例是已经存在的了。所以在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成。
懒汉式会延迟加载，只有在首次调用时才会实例化单例，如果初始化所需要的工作比较多，那么首次访问性能上会有些延迟，不过之后就和饿汉式一样了。
（2）线程安全方面：饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题，懒汉式本身是非线程安全的，需要通过额外的机制保证线程安全。

2、原型模式

原型模式也是用于 对象的创建，通过将一个对象作为原型，对其进行复制克隆，产生一个与源对象类似的新对象。
在Java中，原型模式的核心是就是原型类Prototype，Prototype类需要具备以下两个条件：

实现 Cloneable 接口；
重写 Object 类中的 clone() 方法，用于返回对象的拷贝；
Object 类中的 clone() 方法默认是浅拷贝，如果想要深拷贝对象，则需要在 clone() 方法中自定义自己的复制逻辑。

补充：浅拷贝和深拷贝

**浅拷贝：**将一个对象复制后，基本数据类型的变量会重新创建，而引用类型指向的还是原对象所指向的内存地址。
**深拷贝：**将一个对象复制后，不论是基本数据类型还有引用类型，都是重新创建的。
使用原型模式进行创建对象不仅简化对象的创建步骤，还比 new 方式创建对象的性能要好的多，因为Object类的clone()方法是一个本地方法，直接操作内存中的二进制流，特别是复制大对象时，性能的差别非常明显。