「设计模式」创建型

创建型设计模式常见有如下几类:

1. 单例(singleton)
2. 简单工厂(simple factory)
3. 工厂方法(factory method)
4. 抽象工厂(abstract factory)
5. 生成器(builder)
6. 原型模式(prototype)

1. 单例(singleton)

意图

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

类图

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。

单例模式

实现

1) 懒汉式-线程不安全

以下实现中，私有静态变量 uniqueinstance 被延迟化实例化，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，那么多个线程会执行 uniqueinstance = new singleton(); 语句，这将导致多次实例化 uniqueinstance。

/**
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 */
public class singleton {

    private static singleton uniqueinstance;

    private singleton() {
    }

    public static singleton getuniqueinstance() {
        if (uniqueinstance == null) {
            uniqueinstance = new singleton();
        }
        return uniqueinstance;
    }
}

2) 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，从而避免了对 uniqueinstance 进行多次实例化的问题。

但是这样有一个问题，就是当一个线程进入该方法之后，其它线程试图进入该方法都必须等待，因此性能上有一定的损耗。

public static synchronized singleton getuniqueinstance() {
    if (uniqueinstance == null) {
        uniqueinstance = new singleton();
    }
    return uniqueinstance;
}

3) 饿汉式-线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueinstance 被实例化了多次，如果 uniqueinstance 采用直接实例化的话，就不会被实例化多次，也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优势。

private static singleton uniqueinstance = new singleton();

4) 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。也就是说，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。

/**
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 */
public class singleton {

    private volatile static singleton uniqueinstance;

    private singleton() {
    }

    public static singleton getuniqueinstance() {
        if (uniqueinstance == null) {
            synchronized (singleton.class) {
                if (uniqueinstance == null) {
                    uniqueinstance = new singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueinstance;
    }
}

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，如果两个线程同时执行 if 语句，那么两个线程就会同时进入 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，也就是说会进行两次实例化，从而产生了两个实例。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 判断。

if (uniqueinstance == null) {
    synchronized (singleton.class) {
        uniqueinstance = new singleton();
    }
}

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。

• (1). 分配内存空间
• (2). 初始化对象
• (3). 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，有可能执行顺序变为了 1>3>2，这在单线程情况下自然是没有问题。但如果是多线程下，有可能获得是一个还没有被初始化的实例，以致于程序出错; 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。

5) 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。

/**
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 */
public class singleton {

    private singleton() {
    }

    private static class singletonholder {
        private static final singleton instance = new singleton();
    }

    public static singleton getuniqueinstance() {
        return singletonholder.instance;
    }
}

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。

使用场景

• logger classes
• configuration classes
• accesing resources in shared mode
• factories implemented as singletons

jdk

• java.lang.runtime#getruntime()
• java.awt.desktop#getdesktop()
• java.lang.system#getsecuritymanager()

2. 简单工厂(simple factory)

意图

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。

类图

简单工厂不是设计模式，更像是一种编程习惯。它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子类来实例化。

简单工厂模式

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。因为客户类往往有多个，如果不使用简单工厂，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。

如果存在下面这种代码，就需要使用简单工厂将对象实例化的部分放到简单工厂中。

public class client {
    public static void main(string[] args) {
        int type = 1;
        product product;
        if (type == 1) {
            product = new concreteproduct1();
        } else if (type == 2) {
            product = new concreteproduct2();
        } else {
            product = new concreteproduct();
        }
    }
}

实现

public interface product {
}

public class concreteproduct implements product {
}

public class concreteproduct1 implements product {
}

public class concreteproduct2 implements product {
}

/**
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public class simplefactory {
    public product createproduct(int type) {
        if (type == 1) {
            return new concreteproduct1();
        } else if (type == 2) {
            return new concreteproduct2();
        }
        return new concreteproduct();
    }
}

public class client {
    public static void main(string[] args) {
        simplefactory simplefactory = new simplefactory();
        product product = simplefactory.createproduct(1);
    }
}

3. 工厂方法(factory method)

意图

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。工厂方法把实例化推迟到子类。

类图

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。

工厂方法模式

实现

/**
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public abstract class factory {
    abstract public product factorymethod();
    public void dosomething() {
        product product = factorymethod();
        // do something with the product
    }
}

/**
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public class concretefactory extends factory {
    public product factorymethod() {
        return new concreteproduct();
    }
}

public class concretefactory1 extends factory {
    public product factorymethod() {
        return new concreteproduct1();
    }
}

/**
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public class concretefactory2 extends factory {
    public product factorymethod() {
        return new concreteproduct2();
    }
}

jdk

• java.util.calendar
• java.util.resourcebundle
• java.text.numberformat
• java.nio.charset.charset
• java.net.urlstreamhandlerfactory
• java.util.enumset
• javax.xml.bind.jaxbcontext

4. 抽象工厂(abstract factory)

意图

提供一个接口，用于创建 相关的对象家族 。

类图

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 client 组合了 abstractfactory，而工厂方法模式使用了继承。

抽象工厂模式

代码实现

public class abstractproducta {
}

public class abstractproductb {
}

public class producta1 extends abstractproducta {
}

public class producta2 extends abstractproducta {
}

public class productb1 extends abstractproductb {
}

public class productb2 extends abstractproductb {
}

/**
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public abstract class abstractfactory {
    abstract abstractproducta createproducta();
    abstract abstractproductb createproductb();
}

/**
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public class concretefactory1 extends abstractfactory {
    abstractproducta createproducta() {
        return new producta1();
    }

    abstractproductb createproductb() {
        return new productb1();
    }
}

/**
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 */
public class concretefactory2 extends abstractfactory {
    abstractproducta createproducta() {
        return new producta2();
    }

    abstractproductb createproductb() {
        return new productb2();
    }
}

/**
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 */
public class client {
    public static void main(string[] args) {
        abstractfactory abstractfactory = new concretefactory1();
        abstractproducta producta = abstractfactory.createproducta();
        abstractproductb productb = abstractfactory.createproductb();
        // do something with producta and productb
    }
}

jdk

• javax.xml.parsers.documentbuilderfactory
• javax.xml.transform.transformerfactory
• javax.xml.xpath.xpathfactory

5. 生成器(builder)

意图

封装一个对象的构造过程，并允许按步骤构造。

类图

生成器模式

实现

以下是一个简易的 stringbuilder 实现，参考了 jdk 1.8 源码。

/**
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public class abstractstringbuilder {
    protected char[] value;

    protected int count;

    public abstractstringbuilder(int capacity) {
        count = 0;
        value = new char[capacity];
    }

    public abstractstringbuilder append(char c) {
        ensurecapacityinternal(count + 1);
        value[count++] = c;
        return this;
    }

    private void ensurecapacityinternal(int minimumcapacity) {
        // overflow-conscious code
        if (minimumcapacity - value.length > 0)
            expandcapacity(minimumcapacity);
    }

    void expandcapacity(int minimumcapacity) {
        int newcapacity = value.length * 2 + 2;
        if (newcapacity - minimumcapacity < 0)
            newcapacity = minimumcapacity;
        if (newcapacity < 0) {
            if (minimumcapacity < 0) // overflow
                throw new outofmemoryerror();
            newcapacity = integer.max_value;
        }
        value = arrays.copyof(value, newcapacity);
    }
}

/**
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 */
public class stringbuilder extends abstractstringbuilder {
    public stringbuilder() {
        super(16);
    }

    @override
    public string tostring() {
        // create a copy, don't share the array
        return new string(value, 0, count);
    }
}

public class client {
    public static void main(string[] args) {
        stringbuilder sb = new stringbuilder();
        final int count = 26;
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            sb.append((char) ('a' + i));
        }
        system.out.println(sb.tostring());
    }
}

abcdefghijklmnopqrstuvwxyz

jdk

• java.lang.stringbuilder
• java.nio.bytebuffer
• java.lang.stringbuffer
• java.lang.appendable
• apache camel builders

6. 原型模式(prototype)

意图

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。

类图

原型模式

实现

/**
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 */
public abstract class prototype {
    abstract prototype myclone();
}

/**
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 */
public class concreteprototype extends prototype {

    private string filed;

    public concreteprototype(string filed) {
        this.filed = filed;
    }

    @override
    prototype myclone() {
        return new concreteprototype(filed);
    }

    @override
    public string tostring() {
        return filed;
    }
}

public class client {
    public static void main(string[] args) {
        prototype prototype = new concreteprototype("abc");
        prototype clone = prototype.myclone();
        system.out.println(clone.tostring());
    }
}

abc

jdk

• java.lang.object#clone()