Java的23種設(shè)計(jì)模式全面解析

設(shè)計(jì)模式（Design Pattern）是前輩們對(duì)代碼開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)奖唯，是解決特定問題的一系列套路。它不是語法規(guī)定糜值，而是一套用來提高代碼可復(fù)用性丰捷、可維護(hù)性、可讀性寂汇、穩(wěn)健性以及安全性的解決方案病往。

1995 年，GoF（Gang of Four骄瓣，四人組/四人幫）合作出版了《設(shè)計(jì)模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)》一書停巷，共收錄了 23 種設(shè)計(jì)模式，從此樹立了軟件設(shè)計(jì)模式領(lǐng)域的里程碑榕栏，人稱「GoF設(shè)計(jì)模式」畔勤。

這 23 種設(shè)計(jì)模式的本質(zhì)是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則的實(shí)際運(yùn)用，是對(duì)類的封裝性扒磁、繼承性和多態(tài)性庆揪，以及類的關(guān)聯(lián)關(guān)系和組合關(guān)系的充分理解。

當(dāng)然渗磅，軟件設(shè)計(jì)模式只是一個(gè)引導(dǎo)嚷硫，在實(shí)際的軟件開發(fā)中，必須根據(jù)具體的需求來選擇：

• 對(duì)于簡單的程序始鱼，可能寫一個(gè)簡單的算法要比引入某種設(shè)計(jì)模式更加容易仔掸；
• 但是對(duì)于大型項(xiàng)目開發(fā)或者框架設(shè)計(jì)，用設(shè)計(jì)模式來組織代碼顯然更好医清。

軟件設(shè)計(jì)模式的產(chǎn)生背景

“設(shè)計(jì)模式”這個(gè)術(shù)語最初并不是出現(xiàn)在軟件設(shè)計(jì)中起暮，而是被用于建筑領(lǐng)域的設(shè)計(jì)中。

1977 年，美國著名建筑大師负懦、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校環(huán)境結(jié)構(gòu)中心主任克里斯托夫·亞歷山大（Christopher Alexander）在他的著作《建筑模式語言：城鎮(zhèn)筒捺、建筑、構(gòu)造（A Pattern Language: Towns Building Construction）中描述了一些常見的建筑設(shè)計(jì)問題纸厉，并提出了 253 種關(guān)于對(duì)城鎮(zhèn)系吭、鄰里、住宅颗品、花園和房間等進(jìn)行設(shè)計(jì)的基本模式肯尺。

1979 年他的另一部經(jīng)典著作《建筑的永恒之道》（The Timeless Way of Building）進(jìn)一步強(qiáng)化了設(shè)計(jì)模式的思想，為后來的建筑設(shè)計(jì)指明了方向躯枢。

1987 年则吟，肯特·貝克（Kent Beck）和沃德·坎寧安（Ward Cunningham）首先將克里斯托夫·亞歷山大的模式思想應(yīng)用在 Smalltalk 中的圖形用戶接口的生成中，但沒有引起軟件界的關(guān)注锄蹂。

直到 1990 年氓仲，軟件工程界才開始研討設(shè)計(jì)模式的話題，后來召開了多次關(guān)于設(shè)計(jì)模式的研討會(huì)得糜。

1995 年敬扛，艾瑞克·伽馬（ErichGamma）、理査德·海爾姆（Richard Helm）朝抖、拉爾夫·約翰森（Ralph Johnson）舔哪、約翰·威利斯迪斯（John Vlissides）等 4 位作者合作出版了《設(shè)計(jì)模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)》（Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software）一書，在本教程中收錄了 23 個(gè)設(shè)計(jì)模式槽棍，這是設(shè)計(jì)模式領(lǐng)域里程碑的事件，導(dǎo)致了軟件設(shè)計(jì)模式的突破抬驴。這 4 位作者在軟件開發(fā)領(lǐng)域里也以他們的“四人組”（Gang of Four炼七，GoF）匿名著稱。

直到今天布持，狹義的設(shè)計(jì)模式還是本教程中所介紹的 23 種經(jīng)典設(shè)計(jì)模式豌拙。

軟件設(shè)計(jì)模式的概念

軟件設(shè)計(jì)模式（Software Design Pattern），又稱設(shè)計(jì)模式题暖，是一套被反復(fù)使用按傅、多數(shù)人知曉的、經(jīng)過分類編目的胧卤、代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。它描述了在軟件設(shè)計(jì)過程中的一些不斷重復(fù)發(fā)生的問題枝誊，以及該問題的解決方案况芒。也就是說，它是解決特定問題的一系列套路叶撒，是前輩們的代碼設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)绝骚，具有一定的普遍性耐版，可以反復(fù)使用。其目的是為了提高代碼的可重用性压汪、代碼的可讀性和代碼的可靠性粪牲。

學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模式的意義

設(shè)計(jì)模式的本質(zhì)是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則的實(shí)際運(yùn)用，是對(duì)類的封裝性止剖、繼承性和多態(tài)性以及類的關(guān)聯(lián)關(guān)系和組合關(guān)系的充分理解腺阳。正確使用設(shè)計(jì)模式具有以下優(yōu)點(diǎn)。

• 可以提高程序員的思維能力滴须、編程能力和設(shè)計(jì)能力舌狗。
• 使程序設(shè)計(jì)更加標(biāo)準(zhǔn)化、代碼編制更加工程化扔水，使軟件開發(fā)效率大大提高痛侍，從而縮短軟件的開發(fā)周期。
• 使設(shè)計(jì)的代碼可重用性高魔市、可讀性強(qiáng)主届、可靠性高、靈活性好待德、可維護(hù)性強(qiáng)君丁。

當(dāng)然，軟件設(shè)計(jì)模式只是一個(gè)引導(dǎo)将宪。在具體的軟件幵發(fā)中绘闷，必須根據(jù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求來恰當(dāng)選擇。對(duì)于簡單的程序開發(fā)较坛，苛能寫一個(gè)簡單的算法要比引入某種設(shè)計(jì)模式更加容易印蔗。但對(duì)大項(xiàng)目的開發(fā)或者框架設(shè)計(jì)，用設(shè)計(jì)模式來組織代碼顯然更好丑勤。

軟件設(shè)計(jì)模式的基本要素

軟件設(shè)計(jì)模式使人們可以更加簡單方便地復(fù)用成功的設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)华嘹，它通常包含以下幾個(gè)基本要素：模式名稱、別名法竞、動(dòng)機(jī)耙厚、問題、解決方案、效果、結(jié)構(gòu)岭粤、模式角色逗宁、合作關(guān)系、實(shí)現(xiàn)方法、適用性舵匾、已知應(yīng)用飒炎、例程诡曙、模式擴(kuò)展和相關(guān)模式等臀叙，其中最關(guān)鍵的元素包括以下 4 個(gè)主要部分。

1. 模式名稱：每一個(gè)模式都有自己的名字价卤，通常用一兩個(gè)詞來描述劝萤，可以根據(jù)模式的問題、特點(diǎn)慎璧、解決方案床嫌、功能和效果來命名。模式名稱（PatternName）有助于我們理解和記憶該模式胸私，也方便我們來討論自己的設(shè)計(jì)厌处。
2. 問題：問題（Problem）描述了該模式的應(yīng)用環(huán)境，即何時(shí)使用該模式岁疼。它解釋了設(shè)計(jì)問題和問題存在的前因后果阔涉，以及必須滿足的一系列先決條件。
3. 解決方案：模式問題的解決方案（Solution）包括設(shè)計(jì)的組成成分捷绒、它們之間的相互關(guān)系及各自的職責(zé)和協(xié)作方式瑰排。因?yàn)槟Ｊ骄拖褚粋€(gè)模板，可應(yīng)用于多種不同場合暖侨，所以解決方案并不描述一個(gè)特定而具體的設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)椭住，而是提供設(shè)計(jì)問題的抽象描述和怎樣用一個(gè)具有一般意義的元素組合（類或?qū)ο蟮?組合）來解決這個(gè)問題。
4. 效果：描述了模式的應(yīng)用效果以及使用該模式應(yīng)該權(quán)衡的問題字逗，即模式的優(yōu)缺點(diǎn)京郑。主要是對(duì)時(shí)間和空間的衡量，以及該模式對(duì)系統(tǒng)的靈活性葫掉、擴(kuò)充性傻挂、可移植性的影響，也考慮其實(shí)現(xiàn)問題挖息。顯式地列出這些效果（Consequence）對(duì)理解和評(píng)價(jià)這些模式有很大的幫助。

23 種設(shè)計(jì)模式的分類和功能

設(shè)計(jì)模式有兩種分類方法兽肤，即根據(jù)模式的目的來分和根據(jù)模式的作用的范圍來分套腹。

根據(jù)目的來分

根據(jù)模式是用來完成什么工作來劃分，這種方式可分為創(chuàng)建型模式资铡、結(jié)構(gòu)型模式和行為型模式 3 種电禀。

1. 創(chuàng)建型模式：用于描述“怎樣創(chuàng)建對(duì)象”，主要特點(diǎn)是“將對(duì)象的創(chuàng)建與使用分離”笤休。這樣可以降低系統(tǒng)的耦合度尖飞，使用者不需要關(guān)注對(duì)象的創(chuàng)建細(xì)節(jié)，對(duì)象的創(chuàng)建由相關(guān)的工廠來完成。就像我們?nèi)ド虉鲑徺I商品時(shí)政基，不需要知道商品是怎么生產(chǎn)出來一樣贞铣，因?yàn)樗鼈冇蓪ｉT的廠商生產(chǎn)。
   • 提供了單例沮明、原型辕坝、工廠方法、抽象工廠荐健、建造者等 5 種創(chuàng)建型模式酱畅。
2. 結(jié)構(gòu)型模式：用于描述如何將類或?qū)ο蟀茨撤N布局組成更大的結(jié)構(gòu)，它分為類結(jié)構(gòu)型模式和對(duì)象結(jié)構(gòu)型模式江场，前者采用繼承機(jī)制來組織接口和類纺酸，后者釆用組合或聚合來組合對(duì)象。由于組合關(guān)系或聚合關(guān)系比繼承關(guān)系耦合度低址否，滿足“合成復(fù)用原則”餐蔬，所以對(duì)象結(jié)構(gòu)型模式比類結(jié)構(gòu)型模式具有更大的靈活性。
   • 提供了代理在张、適配器用含、橋接、裝飾帮匾、外觀啄骇、享元、組合等 7 種結(jié)構(gòu)型模式瘟斜。
3. 行為型模式：用于描述類或?qū)ο笾g怎樣相互協(xié)作共同完成單個(gè)對(duì)象都無法單獨(dú)完成的任務(wù)缸夹，以及怎樣分配職責(zé)。行為型模式分為類行為模式和對(duì)象行為模式螺句，前者采用繼承機(jī)制來在類間分派行為虽惭，后者采用組合或聚合在對(duì)象間分配行為。由于組合關(guān)系或聚合關(guān)系比繼承關(guān)系耦合度低蛇尚，滿足“合成復(fù)用原則”芽唇，所以對(duì)象行為模式比類行為模式具有更大的靈活性。
   • 提供了模板方法取劫、策略匆笤、命令、職責(zé)鏈谱邪、狀態(tài)炮捧、觀察者、中介者惦银、迭代器咆课、訪問者末誓、備忘錄、解釋器等 11 種行為型模式书蚪。

根據(jù)作用范圍來分

根據(jù)模式是主要用于類上還是主要用于對(duì)象上來分喇澡，這種方式可分為類模式和對(duì)象模式兩種。

1. 類模式：用于處理類與子類之間的關(guān)系善炫，這些關(guān)系通過繼承來建立撩幽，是靜態(tài)的，在編譯時(shí)刻便確定下來了箩艺。工廠方法窜醉、（類）適配器、模板方法艺谆、解釋器屬于該模式榨惰。
2. 對(duì)象模式：用于處理對(duì)象之間的關(guān)系，這些關(guān)系可以通過組合或聚合來實(shí)現(xiàn)静汤，在運(yùn)行時(shí)刻是可以變化的琅催，更具動(dòng)態(tài)性。除了以上 4 種虫给，其他的都是對(duì)象模式藤抡。

GoF的23種設(shè)計(jì)模式的功能

前面說明了 GoF 的 23 種設(shè)計(jì)模式的分類，現(xiàn)在對(duì)各個(gè)模式的功能進(jìn)行介紹抹估。

1. 單例（Singleton）模式：某個(gè)類只能生成一個(gè)實(shí)例缠黍，該類提供了一個(gè)全局訪問點(diǎn)供外部獲取該實(shí)例，其拓展是有限多例模式药蜻。
2. 原型（Prototype）模式：將一個(gè)對(duì)象作為原型瓷式，通過對(duì)其進(jìn)行復(fù)制而克隆出多個(gè)和原型類似的新實(shí)例。
3. 工廠方法（Factory Method）模式：定義一個(gè)用于創(chuàng)建產(chǎn)品的接口语泽，由子類決定生產(chǎn)什么產(chǎn)品贸典。
4. 抽象工廠（AbstractFactory）模式：提供一個(gè)創(chuàng)建產(chǎn)品族的接口，其每個(gè)子類可以生產(chǎn)一系列相關(guān)的產(chǎn)品踱卵。
5. 建造者（Builder）模式：將一個(gè)復(fù)雜對(duì)象分解成多個(gè)相對(duì)簡單的部分廊驼，然后根據(jù)不同需要分別創(chuàng)建它們，最后構(gòu)建成該復(fù)雜對(duì)象惋砂。
6. 代理（Proxy）模式：為某對(duì)象提供一種代理以控制對(duì)該對(duì)象的訪問妒挎。即客戶端通過代理間接地訪問該對(duì)象，從而限制班利、增強(qiáng)或修改該對(duì)象的一些特性。
7. 適配器（Adapter）模式：將一個(gè)類的接口轉(zhuǎn)換成客戶希望的另外一個(gè)接口榨呆，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些類能一起工作罗标。
8. 橋接（Bridge）模式：將抽象與實(shí)現(xiàn)分離庸队，使它們可以獨(dú)立變化。它是用組合關(guān)系代替繼承關(guān)系來實(shí)現(xiàn)闯割，從而降低了抽象和實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)可變維度的耦合度彻消。
9. 裝飾（Decorator）模式：動(dòng)態(tài)的給對(duì)象增加一些職責(zé)，即增加其額外的功能宙拉。
10. 外觀（Facade）模式：為多個(gè)復(fù)雜的子系統(tǒng)提供一個(gè)一致的接口宾尚，使這些子系統(tǒng)更加容易被訪問。
11. 享元（Flyweight）模式：運(yùn)用共享技術(shù)來有效地支持大量細(xì)粒度對(duì)象的復(fù)用谢澈。
12. 組合（Composite）模式：將對(duì)象組合成樹狀層次結(jié)構(gòu)煌贴，使用戶對(duì)單個(gè)對(duì)象和組合對(duì)象具有一致的訪問性。
13. 模板方法（TemplateMethod）模式：定義一個(gè)操作中的算法骨架锥忿，而將算法的一些步驟延遲到子類中牛郑，使得子類可以不改變?cè)撍惴ńY(jié)構(gòu)的情況下重定義該算法的某些特定步驟。
14. 策略（Strategy）模式：定義了一系列算法敬鬓，并將每個(gè)算法封裝起來淹朋，使它們可以相互替換，且算法的改變不會(huì)影響使用算法的客戶钉答。
15. 命令（Command）模式：將一個(gè)請(qǐng)求封裝為一個(gè)對(duì)象础芍，使發(fā)出請(qǐng)求的責(zé)任和執(zhí)行請(qǐng)求的責(zé)任分割開。
16. 職責(zé)鏈（Chain of Responsibility）模式：把請(qǐng)求從鏈中的一個(gè)對(duì)象傳到下一個(gè)對(duì)象数尿，直到請(qǐng)求被響應(yīng)為止仑性。通過這種方式去除對(duì)象之間的耦合。
17. 狀態(tài)（State）模式：允許一個(gè)對(duì)象在其內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)改變其行為能力砌创。
18. 觀察者（Observer）模式：多個(gè)對(duì)象間存在一對(duì)多關(guān)系虏缸，當(dāng)一個(gè)對(duì)象發(fā)生改變時(shí)，把這種改變通知給其他多個(gè)對(duì)象嫩实，從而影響其他對(duì)象的行為刽辙。
19. 中介者（Mediator）模式：定義一個(gè)中介對(duì)象來簡化原有對(duì)象之間的交互關(guān)系，降低系統(tǒng)中對(duì)象間的耦合度甲献，使原有對(duì)象之間不必相互了解宰缤。
20. 迭代器（Iterator）模式：提供一種方法來順序訪問聚合對(duì)象中的一系列數(shù)據(jù)，而不暴露聚合對(duì)象的內(nèi)部表示晃洒。
21. 訪問者（Visitor）模式：在不改變集合元素的前提下慨灭，為一個(gè)集合中的每個(gè)元素提供多種訪問方式，即每個(gè)元素有多個(gè)訪問者對(duì)象訪問球及。
22. 備忘錄（Memento）模式：在不破壞封裝性的前提下氧骤，獲取并保存一個(gè)對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)，以便以后恢復(fù)它吃引。
23. 解釋器（Interpreter）模式：提供如何定義語言的文法筹陵，以及對(duì)語言句子的解釋方法刽锤，即解釋器。