设计模式-创建者模式
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设计模式
一，创建型模式
用于描述“怎么创建对象”。它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。如，单例、原型、工厂方法、抽象工厂、建造者等5种创建型模式。
- 单例（Singleton）模式：某个类只能生成一个实例，该实例提供一个全局访问店供外部获取该对象，其扩展时有限多例模式。
- 原型（Prototype）模式：将一个对象作为原型，通过对其进行复制而克隆出多个和原型类型的新实例。
- 工厂方法（Factory Method）模式：定义一个用于创建产品的接口，有子类决定生产什么产品。
- 抽象工厂（Abstract Factory）模式：提供一个创建产品族的接口，其每个子类可以生产一些列相关的产品。
- 建造者（Builder）模式：将一个复杂对象分解成多个相对简单的部分，然后根据不同需要分别创建它们，最后构建从复杂对象。
1. 单例模式(Singleton)
参考资料：单例模式 | 菜鸟教程 (runoob.com)
确保任何情况下都绝对只有一个实例
想在程序中表现出“只存在一个实例”
1.1八种方式
加粗为推荐方式
- 饿汉式（静态常量）
- 饿汉式（静态代码块）
- 懒汉式（线程不安全）
- 懒汉式（线程安全，同步方法）
- 懒汉式（线程安全，同步代码块）
- 双重检查
- 静态内部类
- 枚举
1.1.1 饿汉式（静态常量）
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class Singleton01 {
private Singleton01() {}
private static Singleton01 instance = new Singleton01();
public static Singleton01 getInstance() {
return instance;
}
}
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优缺点说明：
优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
缺点：
1.在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则
会造成内存的浪费
2.这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就实例化，在单例模 式中大
3.多数都是调用getInstance方法，但是导致类装载的原因有很多种，因此不能确定有其他的方式（或者其 他的静态方法)导致类装载，这时候初始化instance就没有达到lazy loading的效果
结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费
1.1.2 饿汉式（静态代码块）
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class Singleton01 {
private static Singleton01 instance;
static {
instance = new Singleton01();
}
private Singleton01() {
}
public static Singleton01 getInstance() {
return instance;
}
}
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1.1.3 懒汉式（双重检查）
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class Singleton01 {
private static volatile Singleton01 instance;
private Singleton01() {
}
public static Singleton01 getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton01.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton01();
}
}
}
return instance;
}
}
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优缺点说明：
- Double-Check概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次f(singleton=null)检查，这样就可以保证线程安全了。
- 这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if(singleton=nul),直接return实例化对象，也避免的反复进行方法同步线程安全；延迟加载；效率较高
- 结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式
1.1.4 静态内部类
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class Singleton01 {
private static Singleton01 instance;
private Singleton01() {
}
private static class SingletonInstance{
private static final Singleton01 INSTANCE = new Singleton01();
}
public static Singleton01 getInstance() {
return SingletonInstance.INSTANCE;
}
}
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优缺点说明：
1.这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
2.静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance 方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。
3.类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全性， 在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。
4.优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高
5.结论：推荐使用
1.1.5 枚举
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public class SingletonTest01 {
public static void main(String[] args) {
Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;
Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
System.out.println(instance1 == instance2);
instance1.sayHi();
}
}
enum Singleton {
INSTANCE;
public void sayHi() {
System.out.println("Hi!");
}
}
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优缺点说明：
1.这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建
新的对象。
2.这种方式是Effective Java作者Josh Bloch提倡的方式
3.结论：推荐使用
1.2.单例模式注意事项和细节说明
- 单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使
用单例模式可以提高系统性能
- 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new
- 单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多（即：重量级
对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象（比如数据源、session工厂等）
2. 工厂模式（Factory Pattern）
参考资料：工厂模式 | 菜鸟教程 (runoob.com)
定义一个创建对象的接口，让其子类自己决定实例化哪一个工厂类，工厂模式使其创建过程延迟到子类进行。
2.1 结构
工厂方法模式的主要角色：
- 抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，调用者通过它访问具体工厂的工厂方法来创建产品。
- 具体工厂（ConcreteFactory）：主要是实现抽象工厂中的抽象方法，完成具体产品的创建。
- 抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。
- 具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间一一对应。
2.2 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。
FactoryPatternDemo 类使用 ShapeFactory 来获取 Shape 对象。它将向 ShapeFactory 传递信息（CIRCLE / RECTANGLE / SQUARE），以便获取它所需对象的类型。
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public interface Shape {
void draw();
}
public class Rectangle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
}
}
public class Square implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Inside Square::draw() method.");
}
}
public class Circle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
}
}
public class ShapeFactory {
public Shape getShape(String shapeType){
if(shapeType == null){
return null;
}
if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){
return new Circle();
} else if(shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")){
return new Rectangle();
} else if(shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")){
return new Square();
}
return null;
}
}
public class FactoryPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();
Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");
shape1.draw();
Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");
shape2.draw();
Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");
shape3.draw();
}
}
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2.3 优缺点
优点：
- 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品，无须知道产品的具体创建过程；
- 在系统增加新的产品时只需要添加具体产品类和对应的具体工厂类，无须对原工厂进行任何修改，满足开闭原则；
缺点：
- 每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类，这增加了系统的复杂度。
3. 抽象工厂模式（Abstract Factory）
参考资料：抽象工厂模式 | 菜鸟教程 (runoob.com)
抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）是围绕一个超级工厂创建其他工厂。该超级工厂又称为其他工厂的工厂。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。
在抽象工厂模式中，接口是负责创建一个相关对象的工厂，不需要显式指定它们的类。每个生成的工厂都能按照工厂模式提供对象。
使用场景： 1、QQ 换皮肤，一整套一起换。 2、生成不同操作系统的程序。
3.1结构
抽象工厂模式的主要角色如下：
抽象工厂(Abstract Factory):提供了创建产品的接口，它包含多个创建产品的方法，可以创建多个不同等级的产品。
具体工厂(Concrete Factory):主要是实现抽象工厂中的多个抽象方法，完成具体产品的创建。
抽象产品(Product):定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能，抽象工厂模式有多个抽象产品。
具体产品(ConcreteProduct)：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间是多对一的关系。
4. 原型模式（Prototype Pattern）
参考资料：原型模式 | 菜鸟教程 (runoob.com)
原型模式（Prototype Pattern）是用于创建重复的对象，同时又能保证性能。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。
这种模式是实现了一个原型接口，该接口用于创建当前对象的克隆。当直接创建对象的代价比较大时，则采用这种模式。例如，一个对象需要在一个高代价的数据库操作之后被创建。我们可以缓存该对象，在下一个请求时返回它的克隆，在需要的时候更新数据库，以此来减少数据库调用。
原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆:
浅克隆：创建一个新对象，新对象的属性和原来对象完全相同，对于非基本类型属性，仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。
深克隆：创建一个新对象，属性中引用的其他对象也会被克隆，不再指向原有对象地址。
4.1 结构：
原型模式包含如下角色：
- 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的的 clone() 方法。
- 具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
- 访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。
接口类图如下：
4.2 浅克隆
4.2.1 案例：
用原型模式生成“三好学生”奖状
同一学校的“三好学生”奖状除了获奖人姓名不同，其他都相同，可以使用原型模式复制多个“三好学生”奖状出来，然后在修改奖状上的名字即可。
类图如下：
代码如下：
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public class Citation implements Cloneable {
private String name;
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return (this.name);
}
public void show() {
System.out.println(name + "同学：在2020学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。特发此状！");
}
@Override
public Citation clone() throws CloneNotSupportedException {
return (Citation) super.clone();
}
}
public class CitationTest {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
Citation c1 = new Citation();
c1.setName("张三");
Citation c2 = c1.clone();
c2.setName("李四");
c1.show();
c2.show();
}
}
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4.2.2 使用场景
- 对象的创建非常复杂，可以使用原型模式快捷的创建对象。
- 性能和安全要求比较高。
4.3 深克隆
将上面的“三好学生”奖状的案例中Citation类的name属性修改为Student类型的属性。代码如下：
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public class Citation implements Cloneable {
private Student stu;
public Student getStu() {
return stu;
}
public void setStu(Student stu) {
this.stu = stu;
}
void show() {
System.out.println(stu.getName() + "同学：在2020学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。特发此状！");
}
@Override
public Citation clone() throws CloneNotSupportedException {
return (Citation) super.clone();
}
}
public class Student {
private String name;
private String address;
public Student(String name, String address) {
this.name = name;
this.address = address;
}
public Student() {
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getAddress() {
return address;
}
public void setAddress(String address) {
this.address = address;
}
}
public class CitationTest {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
Citation c1 = new Citation();
Student stu = new Student("张三", "西安");
c1.setStu(stu);
Citation c2 = c1.clone();
Student stu1 = c2.getStu();
stu1.setName("李四");
System.out.println("stu和stu1是同一个对象？" + (stu == stu1));
c1.show();
c2.show();
}
}
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运行结果为：
说明：
stu对象和stu1对象是同一个对象，就会产生将stu1对象中name属性值改为“李四”，两个Citation（奖状）对象中显示的都是李四。这就是浅克隆的效果，对具体原型类（Citation）中的引用类型的属性进行引用的复制。这种情况需要使用深克隆，而进行深克隆需要使用对象流。代码如下：
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| public class CitationTest1 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Citation c1 = new Citation();
Student stu = new Student("张三", "西安");
c1.setStu(stu);
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\b.txt"));
oos.writeObject(c1);
oos.close();
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("C:\\Users\\Think\\Desktop\\b.txt"));
Citation c2 = (Citation) ois.readObject();
Student stu1 = c2.getStu();
stu1.setName("李四");
System.out.println("stu和stu1是同一个对象？" + (stu == stu1));
c1.show();
c2.show();
}
}
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运行结果为：
注意：Citation类和Student类必须实现Serializable接口，否则会抛NotSerializableException异常。
5. 建造者模式（Builder Pattern）
参考资料：建造者模式 | 菜鸟教程 (runoob.com)
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。
5.1 结构
建造者（Builder）模式包含如下角色：
- 抽象建造者类（Builder）：这个接口规定要实现复杂对象的那些部分的创建，并不涉及具体的部件对象的创建。
- 具体建造者类（ConcreteBuilder）：实现 Builder 接口，完成复杂产品的各个部件的具体创建方法。在构造过程完成后，提供产品的实例。
- 产品类（Product）：要创建的复杂对象。
- 指挥者类（Director）：调用具体建造者来创建复杂对象的各个部分，在指导者中不涉及具体产品的信息，只负责保证对象各部分完整创建或按某种顺序创建。
类图如下：
5.2 实例
创建共享单车
生产自行车是一个复杂的过程，它包含了车架，车座等组件的生产。而车架又有碳纤维，铝合金等材质的，车座有橡胶，真皮等材质。对于自行车的生产就可以使用建造者模式。
这里Bike是产品，包含车架，车座等组件；Builder是抽象建造者，MobikeBuilder和OfoBuilder是具体的建造者；Director是指挥者。类图如下：
具体的代码如下：
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public class Bike {
private String frame;
private String seat;
public String getFrame() {
return frame;
}
public void setFrame(String frame) {
this.frame = frame;
}
public String getSeat() {
return seat;
}
public void setSeat(String seat) {
this.seat = seat;
}
}
public abstract class Builder {
protected Bike mBike = new Bike();
public abstract void buildFrame();
public abstract void buildSeat();
public abstract Bike createBike();
}
public class MobikeBuilder extends Builder {
@Override
public void buildFrame() {
mBike.setFrame("铝合金车架");
}
@Override
public void buildSeat() {
mBike.setSeat("真皮车座");
}
@Override
public Bike createBike() {
return mBike;
}
}
public class OfoBuilder extends Builder {
@Override
public void buildFrame() {
mBike.setFrame("碳纤维车架");
}
@Override
public void buildSeat() {
mBike.setSeat("橡胶车座");
}
@Override
public Bike createBike() {
return mBike;
}
}
public class Director {
private Builder mBuilder;
public Director(Builder builder) {
mBuilder = builder;
}
public Bike construct() {
mBuilder.buildFrame();
mBuilder.buildSeat();
return mBuilder.createBike();
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
showBike(new OfoBuilder());
showBike(new MobikeBuilder());
}
private static void showBike(Builder builder) {
Director director = new Director(builder);
Bike bike = director.construct();
System.out.println(bike.getFrame());
System.out.println(bike.getSeat());
}
}
|
- 过程可以创建不同的产品对象。
- 可以更加精细地控制产品的创建过程 。将复杂产品的创建步骤分解在不同的方法中，使得创建过程更加清晰，也更方便使用程序来控制创建过程。
- 建造者模式很容易进行扩展。如果有新的需求，通过实现一个新的建造者类就可以完成，基本上不用修改之前已经测试通过的代码，因此也就不会对原有功能引入风险。符合开闭原则。
缺点：
造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点，其组成部分相似，如果产品之间的差异性很大，则不适合使用建造者模式，因此其使用范围受到一定的限制。
5.3 使用场景
建造者（Builder）模式创建的是复杂对象，其产品的各个部分经常面临着剧烈的变化，但将它们组合在一起的算法却相对稳定，所以它通常在以下场合使用。
- 创建的对象较复杂，由多个部件构成，各部件面临着复杂的变化，但构件间的建造顺序是稳定的。
- 创建复杂对象的算法独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式，即产品的构建过程和最终的表示是独立的。
5.4 模式扩展
建造者模式除了上面的用途外，在开发中还有一个常用的使用方式，就是当一个类构造器需要传入很多参数时，如果创建这个类的实例，代码可读性会非常差，而且很容易引入错误，此时就可以利用建造者模式进行重构。
重构前代码如下：
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| public class Phone {
private String cpu;
private String screen;
private String memory;
private String mainboard;
public Phone(String cpu, String screen, String memory, String mainboard) {
this.cpu = cpu;
this.screen = screen;
this.memory = memory;
this.mainboard = mainboard;
}
public String getCpu() {
return cpu;
}
public void setCpu(String cpu) {
this.cpu = cpu;
}
public String getScreen() {
return screen;
}
public void setScreen(String screen) {
this.screen = screen;
}
public String getMemory() {
return memory;
}
public void setMemory(String memory) {
this.memory = memory;
}
public String getMainboard() {
return mainboard;
}
public void setMainboard(String mainboard) {
this.mainboard = mainboard;
}
@Override
public String toString() {
return "Phone{" +
"cpu='" + cpu + '\'' +
", screen='" + screen + '\'' +
", memory='" + memory + '\'' +
", mainboard='" + mainboard + '\'' +
'}';
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Phone phone = new Phone("intel","三星屏幕","金士顿","华硕");
System.out.println(phone);
}
}
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上面在客户端代码中构建Phone对象，传递了四个参数，如果参数更多呢？代码的可读性及使用的成本就是比较高。
重构后代码：
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| public class Phone {
private String cpu;
private String screen;
private String memory;
private String mainboard;
private Phone(Builder builder) {
cpu = builder.cpu;
screen = builder.screen;
memory = builder.memory;
mainboard = builder.mainboard;
}
public static final class Builder {
private String cpu;
private String screen;
private String memory;
private String mainboard;
public Builder() {}
public Builder cpu(String val) {
cpu = val;
return this;
}
public Builder screen(String val) {
screen = val;
return this;
}
public Builder memory(String val) {
memory = val;
return this;
}
public Builder mainboard(String val) {
mainboard = val;
return this;
}
public Phone build() {
return new Phone(this);}
}
@Override
public String toString() {
return "Phone{" +
"cpu='" + cpu + '\'' +
", screen='" + screen + '\'' +
", memory='" + memory + '\'' +
", mainboard='" + mainboard + '\'' +
'}';
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Phone phone = new Phone.Builder()
.cpu("intel")
.mainboard("华硕")
.memory("金士顿")
.screen("三星")
.build();
System.out.println(phone);
}
}
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重构后的代码在使用起来更方便，某种程度上也可以提高开发效率。从软件设计上，对程序员的要求比较高。
6 创建者模式对比
工厂模式 – >去饭店
建造者模式 – >自己做菜
6.1 工厂方法模式VS建造者模式
工厂方法模式注重的是整体对象的创建方式；而建造者模式注重的是部件构建的过程，意在通过一步一步地精确构造创建出一个复杂的对象。
我们举个简单例子来说明两者的差异，如要制造一个超人，如果使用工厂方法模式，直接产生出来的就是一个力大无穷、能够飞翔、内裤外穿的超人；而如果使用建造者模式，则需要组装手、头、脚、躯干等部分，然后再把内裤外穿，于是一个超人就诞生了。
6.2 抽象工厂模式VS建造者模式
抽象工厂模式实现对产品家族的创建，一个产品家族是这样的一系列产品：具有不同分类维度的产品组合，采用抽象工厂模式则是不需要关心构建过程，只关心什么产品由什么工厂生产即可。
建造者模式则是要求按照指定的蓝图建造产品，它的主要目的是通过组装零配件而产生一个新产品。
如果将抽象工厂模式看成汽车配件生产工厂，生产一个产品族的产品，那么建造者模式就是一个汽车组装工厂，通过对部件的组装可以返回一辆完整的汽车。
