Java内功心法，创建型设计模式包括哪些

1. 单例（singleton）

intent

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

class diagram

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。

implementation

ⅰ 懒汉式-线程不安全

以下实现中，私有静态变量 uniqueinstance 被延迟实例化，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，那么会有多个线程执行 uniqueinstance = new singleton(); 语句，这将导致实例化多次 uniqueinstance。

public class singleton {

    private static singleton uniqueinstance;

    private singleton() {
    }

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

 

ⅱ 饿汉式-线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueinstance 被实例化多次，采取直接实例化 uniqueinstance 的方式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好处。

public class singleton {
    //线程不安全问题主要是由于 uniqueintance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的问题。
    private static singleton uniqueinstance=new singleton2();

    private singleton(){

    }

    public  static singleton getuniqueinstance(){
        return uniqueinstance;
    }
}

 

ⅲ 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， 从而避免了实例化多次 uniqueinstance。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待， 即使 uniqueinstance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长，因此该方法有性能问题，不推荐使用。

public class singleton{
    //线程不安全问题主要是由于 uniqueintance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的问题。
    private static singleton uniqueinstance;

    private singleton(){

    }

    //当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待
    public  synchronized static singleton getuniqueinstance(){
        if(uniqueinstance == null){
           uniqueinstance = new singleton();
        }
        return uniqueinstance;
    }
}

 

• 延迟加载的思想 就是一开始不要加载资源或者数据，一直等，等到马上就要使用这个资源或者数据了， 躲不过去了才加载，所以也称lazy load， 不是懒惰啊，是“延迟加载”，这在实际开发中是一种很常见的思想，尽可能的节约资源。
• 缓存的思想 把这些数据缓存到内存里面，每次操作的时候，先到内存里面找，看有没有这些数据， 如果有，那么就直接使用，如果没有那么就获取它，并设置到缓存中，下一次访问的时候就可以直接从内存中获取了。 从而节省大量的时间，当然，缓存是一种典型的空间换时间的方案。

ⅳ 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，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。

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，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 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，那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句。

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. 为 uniqueinstance 分配内存空间
2. 初始化 uniqueinstance
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，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。 例如，线程 t1 执行了 1 和 3，此时 t2 调用 getuniqueinstance() 后发现 uniqueinstance 不为空，因此返回 uniqueinstance，但此时 uniqueinstance 还未被初始化。

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。

ⅴ 静态内部类实现

当 singleton 类加载时，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。

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。

public class singleton {

    private singleton() {
    }

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

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

 

ⅵ 枚举实现

public enum singleton {

    instance;

    private string objname;


    public string getobjname() {
        return objname;
    }


    public void setobjname(string objname) {
        this.objname = objname;
    }


    public static void main(string[] args) {

        // 单例测试
        singleton firstsingleton = singleton.instance;
        firstsingleton.setobjname("firstname");
        system.out.println(firstsingleton.getobjname());
        singleton secondsingleton = singleton.instance;
        secondsingleton.setobjname("secondname");
        system.out.println(firstsingleton.getobjname());
        system.out.println(secondsingleton.getobjname());

        // 反射获取实例测试
        try {
            singleton[] enumconstants = singleton.class.getenumconstants();
            for (singleton enumconstant : enumconstants) {
                system.out.println(enumconstant.getobjname());
            }
        } catch (exception e) {
            e.printstacktrace();
        }
    }
}

 

firstname
secondname
secondname
secondname

 

该实现在多次序列化再进行反序列化之后，不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段， 并且实现序列化和反序列化的方法。

该实现可以防止反射攻击。在其它实现中，通过 setaccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 jvm 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。

枚举实现(最推荐使用)

public class singleton {
    private singleton(){}

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

    private enum singleton{
        instance;
        //如果打算自定义自己的方法，那么必须在enum实例序列的最后添加一个分号。
        //而且 java 要求必须先定义 enum 实例
        private singleton singleton;

        //jvm保证这个方法绝对只被调用一次
        singleton(){
            singleton=new singleton();
        }

        public singleton getsingleton() {
            return singleton;
        }
    }
}

 

examples

• 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）

intent

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。

class diagram

简单工厂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具体子类来实例化。

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。 客户类往往有多个，如果不使用简单工厂，那么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。

implementation

public interface product {
}

 

public class concreteproduct implements product {
}

 

public class concreteproduct1 implements product {
}

 

public class concreteproduct2 implements product {
}

 

以下的 client 类包含了实例化的代码，这是一种错误的实现。如果在客户类中存在这种实例化代码，就需要考虑将代码放到简单工厂中。

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();
        }
        // do something with the product
    }
}

 

以下的 simplefactory 是简单工厂实现，它被所有需要进行实例化的客户类调用。

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);
        // do something with the product
    }
}

 

• 简单工厂的优缺点

帮助封装：简单工厂虽然很简单，但是非常友好的帮助我们实现了组件的封装，然后让组件外部能真正面向接口编程。
解耦：通过简单工厂，把客户类和具体子类的实现解耦。
可能增加客户端的复杂度： 如果通过客户端的参数来选择具体的实现类， 那么就必须让客户端能理解各个参数所代表的具体功能和含义，这会增加客户端使用的难度， 也部分暴露了内部实现，这种情况可以选用可配置的方式来实现
不方便扩展子工厂：私有化简单工厂的构造方法，使用静态方法来创建接口， 也就不能通过写简单工厂类的子类来改变创建接口的方法的行为了。不过，通常情况下是不需要为简单工厂创建子类的。

3. 工厂方法（factory method）

intent

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。工厂方法把实例化操作推迟到子类。

class diagram

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。

implementation

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

 

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

 

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

 

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）

intent

提供一个接口，用于创建 相关的对象家族 。

class diagram

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

implementation

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 {
}

 

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

 

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

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

 

}

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

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

 

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）

intent

封装一个对象的构造过程，并允许按步骤构造。 (将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。)

class diagram

要实现同样的构建过程可以创建不同的表现，那么一个自然的思路就是 先把构建过程独立出来，在生成器模式中把它称为指导者， 由它来指导装配过程，但是不负责每步具体的实现。 当然，光有指导者是不够的，必须要有能具体实现每步的对象，在生成器模式中称这些实现对象为生成器。 这样一来，指导者就是可以重用的构建过程，而生成器是可以被切换的具体实现。

implementation1

**
 * 指导者负责指导装配过程，但是不负责每步具体的实现。
 */
public class director {

    private abstractcomputerbuilder computerbuilder;

    public void setcomputerbuilder(abstractcomputerbuilder computerbuilder) {
        this.computerbuilder = computerbuilder;
    }

 

    public product getproduct() {
        return computerbuilder.getproduct();
    }

 

   public void constructcomputer() {
        computerbuilder.buildproduct();
        computerbuilder.buildmaster();
        computerbuilder.buildscreen();
        computerbuilder.buildkeyboard();
        computerbuilder.buildmouse();
        computerbuilder.buildaudio();
    }
}

 

/**
 * 定义一个产品类
 */
public class product {
    private string master;
    private string screen;
    private string keyboard;
    private string mouse;
    private string audio;
    
    public void setmaster(string master) {
        this.master = master;
    }
    

    public void setscreen(string screen) {
        this.screen = screen;
    }

    public string getmaster() {
        return master;
    }

    public string getscreen() {
        return screen;
    }

    public string getkeyboard() {
        return keyboard;
    }

    public void setkeyboard(string keyboard) {
        this.keyboard = keyboard;
    }

    public string getmouse() {
        return mouse;
    }

    public void setmouse(string mouse) {
        this.mouse = mouse;
    }

    public string getaudio() {
        return audio;
    }

    public void setaudio(string audio) {
        this.audio = audio;
    }
}

 

/**
 * 生成器的抽象类
 * 负责具体实现每步的对象
 */
public abstract class abstractcomputerbuilder {
    protected product product;

    public product getproduct() {
        return product;
    }

    public void buildproduct(){
        product=new product();
        system.out.println("生产出一台电脑");
    }

    public abstract void buildmaster();
    public abstract void buildscreen();
    public abstract void buildkeyboard();
    public abstract void buildmouse();
    public abstract void buildaudio();
}
public class hpcomputerbuilder extends abstractcomputerbuilder{
    @override
    public void buildmaster() {
        // todo auto-generated method stub
        product.setmaster("i7,16g,512ssd,1060");
        system.out.println("(i7,16g,512ssd,1060)的惠普主机");
    }

    @override
    public void buildscreen() {
        // todo auto-generated method stub
        product.setscreen("4k");
        system.out.println("(4k)的惠普显示屏");
    }

    @override
    public void buildkeyboard() {
        // todo auto-generated method stub
        product.setkeyboard("cherry 青轴机械键盘");
        system.out.println("(cherry 青轴机械键盘)的键盘");
    }

    @override
    public void buildmouse() {
        // todo auto-generated method stub
        product.setmouse("mi 鼠标");
        system.out.println("(mi 鼠标)的鼠标");
    }

    @override
    public void buildaudio() {
        // todo auto-generated method stub
        product.setaudio("飞利浦 音响");
        system.out.println("(飞利浦 音响)的音响");
    }
}
public class dellcomputerbuilder extends abstractcomputerbuilder{
    @override
    public void buildmaster() {
        // todo auto-generated method stub
        product.setmaster("i7,32g,1tssd,1060");
        system.out.println("(i7,32g,1tssd,1060)的戴尔主机");
    }

    @override
    public void buildscreen() {
        // todo auto-generated method stub
        product.setscreen("4k");
        system.out.println("(4k)的dell显示屏");
    }

    @override
    public void buildkeyboard() {
        // todo auto-generated method stub
        product.setkeyboard("cherry 黑轴机械键盘");
        system.out.println("(cherry 黑轴机械键盘)的键盘");
    }

    @override
    public void buildmouse() {
        // todo auto-generated method stub
        product.setmouse("mi 鼠标");
        system.out.println("(mi 鼠标)的鼠标");
    }

    @override
    public void buildaudio() {
        // todo auto-generated method stub
        product.setaudio("飞利浦 音响");
        system.out.println("(飞利浦 音响)的音响");
    }
}

 

/**
 * 指导者就是可以重用的构建过程，
 * 而生成器是可以被切换的具体实现
 */
public class client {
    public static void main(string[] args) {
        abstractcomputerbuilder computerbuilder=new hpcomputerbuilder();
        abstractcomputerbuilder computerbuilder2=new dellcomputerbuilder();
        director director=new director();

        director.setcomputerbuilder(computerbuilder);
        director.constructcomputer();
        //获取pc
        product pc=director.getproduct();

        director.setcomputerbuilder(computerbuilder2);
        director.constructcomputer();
        product pc2=director.getproduct();
    }
}

 

生成器的调用顺序：

implementation2

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

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);
    }
}
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）

intent

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。

class diagram

 

 

 

implementation

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

 

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