设计模式的类型

设计模式之间的关系

设计模式的六大原则

1、开闭原则(Open Close Principle)

开闭原则的意思是:对扩展开放,对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候,不能去修改原有的代码,实现一个热插拔的效果。简言之,是为了使程序的扩展性好,易于维护和升级。想要达到这样的效果,我们需要使用接口和抽象类,后面的具体设计中我们会提到这点。

2、里氏代换原则(Liskov Substitution Principle)

里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说,任何基类可以出现的地方,子类一定可以出现。LSP 是继承复用的基石,只有当派生类可以替换掉基类,且软件单位的功能不受到影响时,基类才能真正被复用,而派生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代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,所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。

3、依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)

这个原则是开闭原则的基础,具体内容:针对接口编程,依赖于抽象而不依赖于具体。

4、接口隔离原则(Interface Segregation Principle)

这个原则的意思是:使用多个隔离的接口,比使用单个接口要好。它还有另外一个意思是:降低类之间的耦合度。由此可见,其实设计模式就是从大型软件架构出发、便于升级和维护的软件设计思想,它强调降低依赖,降低耦合。

5、迪米特法则,又称最少知道原则(Demeter Principle)

最少知道原则是指:一个实体应当尽量少地与其他实体之间发生相互作用,使得系统功能模块相对独立。

6、合成复用原则(Composite Reuse Principle)

合成复用原则是指:尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承。

常用设计模式

1.工厂模式

创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑,并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象。

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,我们的演示类使用 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。

工厂模式的 UML 图

步骤 1

创建一个接口。

public interface Shape {
   void draw();
}

步骤 2

创建实现接口的实体类。

Rectangle.java

public class Rectangle implements Shape {

   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
   }
}

Square.java

public class Square implements Shape {

   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Square::draw() method.");
   }
}

Circle.java

public class Circle implements Shape {

   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
   }
}

步骤 3

创建一个工厂,生成基于给定信息的实体类的对象。

ShapeFactory.java

public class ShapeFactory {
    
   //使用 getShape 方法获取形状类型的对象
   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;
   }
}

步骤 4

使用该工厂,通过传递类型信息来获取实体类的对象。

FactoryPatternDemo.java

public class FactoryPatternDemo {

   public static void main(String[] args) {
      ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();

      //获取 Circle 的对象,并调用它的 draw 方法
      Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");

      //调用 Circle 的 draw 方法
      shape1.draw();

      //获取 Rectangle 的对象,并调用它的 draw 方法
      Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");

      //调用 Rectangle 的 draw 方法
      shape2.draw();

      //获取 Square 的对象,并调用它的 draw 方法
      Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");

      //调用 Square 的 draw 方法
      shape3.draw();
   }
}

步骤 5

验证输出。

Inside Circle::draw() method.
Inside Rectangle::draw() method.
Inside Square::draw() method.

关于简单工厂模式与工厂方法模式的区别和特点,参考http://blog.csdn.net/jason0539/article/details/23020989

2.抽象工厂模式

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。

实现

我们将创建 ShapeColor 接口和实现这些接口的实体类。下一步是创建抽象工厂类 AbstractFactory。接着定义工厂类 ShapeFactoryColorFactory,这两个工厂类都是扩展了 AbstractFactory。然后创建一个工厂创造器/生成器类 FactoryProducer

AbstractFactoryPatternDemo,我们的演示类使用 FactoryProducer 来获取 AbstractFactory 对象。它将向 AbstractFactory 传递形状信息 ShapeCIRCLE / RECTANGLE / SQUARE),以便获取它所需对象的类型。同时它还向 AbstractFactory 传递颜色信息 ColorRED / GREEN / BLUE),以便获取它所需对象的类型。

抽象工厂模式的 UML 图

步骤 1

为形状创建一个接口。

Shape.java

public interface Shape {
   void draw();
}

步骤 2

创建实现接口的实体类。

Rectangle.java

public class Rectangle implements Shape {

   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
   }
}

Square.java

public class Square implements Shape {

   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Square::draw() method.");
   }
}

Circle.java

public class Circle implements Shape {

   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
   }
}

步骤 3

为颜色创建一个接口。

Color.java

public interface Color {
   void fill();
}

步骤4

创建实现接口的实体类。

Red.java

public class Red implements Color {

   @Override
   public void fill() {
      System.out.println("Inside Red::fill() method.");
   }
}

Green.java

public class Green implements Color {

   @Override
   public void fill() {
      System.out.println("Inside Green::fill() method.");
   }
}

Blue.java

public class Blue implements Color {

   @Override
   public void fill() {
      System.out.println("Inside Blue::fill() method.");
   }
}

步骤 5

为 Color 和 Shape 对象创建抽象类来获取工厂。

AbstractFactory.java

public abstract class AbstractFactory {
   abstract Color getColor(String color);
   abstract Shape getShape(String shape) ;
}

步骤 6

创建扩展了 AbstractFactory 的工厂类,基于给定的信息生成实体类的对象。

ShapeFactory.java

public class ShapeFactory extends AbstractFactory {
    
   @Override
   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;
   }
   
   @Override
   Color getColor(String color) {
      return null;
   }
}

ColorFactory.java

public class ColorFactory extends AbstractFactory {
    
   @Override
   public Shape getShape(String shapeType){
      return null;
   }
   
   @Override
   Color getColor(String color) {
      if(color == null){
         return null;
      }        
      if(color.equalsIgnoreCase("RED")){
         return new Red();
      } else if(color.equalsIgnoreCase("GREEN")){
         return new Green();
      } else if(color.equalsIgnoreCase("BLUE")){
         return new Blue();
      }
      return null;
   }
}

步骤 7

创建一个工厂创造器/生成器类,通过传递形状或颜色信息来获取工厂。

FactoryProducer.java

public class FactoryProducer {
   public static AbstractFactory getFactory(String choice){
      if(choice.equalsIgnoreCase("SHAPE")){
         return new ShapeFactory();
      } else if(choice.equalsIgnoreCase("COLOR")){
         return new ColorFactory();
      }
      return null;
   }
}

步骤 8

使用 FactoryProducer 来获取 AbstractFactory,通过传递类型信息来获取实体类的对象。

AbstractFactoryPatternDemo.java

public class AbstractFactoryPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {

      //获取形状工厂
      AbstractFactory shapeFactory = FactoryProducer.getFactory("SHAPE");

      //获取形状为 Circle 的对象
      Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");

      //调用 Circle 的 draw 方法
      shape1.draw();

      //获取形状为 Rectangle 的对象
      Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");

      //调用 Rectangle 的 draw 方法
      shape2.draw();
      
      //获取形状为 Square 的对象
      Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");

      //调用 Square 的 draw 方法
      shape3.draw();

      //获取颜色工厂
      AbstractFactory colorFactory = FactoryProducer.getFactory("COLOR");

      //获取颜色为 Red 的对象
      Color color1 = colorFactory.getColor("RED");

      //调用 Red 的 fill 方法
      color1.fill();

      //获取颜色为 Green 的对象
      Color color2 = colorFactory.getColor("Green");

      //调用 Green 的 fill 方法
      color2.fill();

      //获取颜色为 Blue 的对象
      Color color3 = colorFactory.getColor("BLUE");

      //调用 Blue 的 fill 方法
      color3.fill();
   }
}

步骤 9

验证输出。

Inside Circle::draw() method.
Inside Rectangle::draw() method.
Inside Square::draw() method.
Inside Red::fill() method.
Inside Green::fill() method.
Inside Blue::fill() method.

3.单例模式

这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。

注意:

  • 1、单例类只能有一个实例。
  • 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  • 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法,供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo,我们的演示类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

单例模式的 UML 图

步骤 1

创建一个 Singleton 类。

SingleObject.java

public class SingleObject {

   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();

   //让构造函数为 private,这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}

   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }

   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

步骤 2

从 singleton 类获取唯一的对象。

SingletonPatternDemo.java

public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {

      //不合法的构造函数
      //编译时错误:构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();

      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();

      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

步骤 3

验证输出。

Hello World!

4.建造者模式

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。

实现

我们假设一个快餐店的商业案例,其中,一个典型的套餐可以是一个汉堡(Burger)和一杯冷饮(Cold drink)。汉堡(Burger)可以是素食汉堡(Veg Burger)或鸡肉汉堡(Chicken Burger),它们是包在纸盒中。冷饮(Cold drink)可以是可口可乐(coke)或百事可乐(pepsi),它们是装在瓶子中。

我们将创建一个表示食物条目(比如汉堡和冷饮)的 Item 接口和实现 Item 接口的实体类,以及一个表示食物包装的 Packing 接口和实现 Packing 接口的实体类,汉堡是包在纸盒中,冷饮是装在瓶子中。

然后我们创建一个 Meal 类,带有 ItemArrayList 和一个通过结合 Item 来创建不同类型的 Meal 对象的 MealBuilderBuilderPatternDemo,我们的演示类使用 MealBuilder 来创建一个 Meal

建造者模式的 UML 图

步骤 1

创建一个表示食物条目和食物包装的接口。

Item.java

public interface Item {
   public String name();
   public Packing packing();
   public float price();    
}

Packing.java

public interface Packing {
   public String pack();
}

步骤 2

创建实现 Packing 接口的实体类。

Wrapper.java

public class Wrapper implements Packing {

   @Override
   public String pack() {
      return "Wrapper";
   }
}

Bottle.java

public class Bottle implements Packing {

   @Override
   public String pack() {
      return "Bottle";
   }
}

步骤 3

创建实现 Item 接口的抽象类,该类提供了默认的功能。

Burger.java

public abstract class Burger implements Item {

   @Override
   public Packing packing() {
      return new Wrapper();
   }

   @Override
   public abstract float price();
}

ColdDrink.java

public abstract class ColdDrink implements Item {

    @Override
    public Packing packing() {
       return new Bottle();
    }

    @Override
    public abstract float price();
}

步骤 4

创建扩展了 Burger 和 ColdDrink 的实体类。

VegBurger.java

public class VegBurger extends Burger {

   @Override
   public float price() {
      return 25.0f;
   }

   @Override
   public String name() {
      return "Veg Burger";
   }
}

ChickenBurger.java

public class ChickenBurger extends Burger {

   @Override
   public float price() {
      return 50.5f;
   }

   @Override
   public String name() {
      return "Chicken Burger";
   }
}

Coke.java

public class Coke extends ColdDrink {

   @Override
   public float price() {
      return 30.0f;
   }

   @Override
   public String name() {
      return "Coke";
   }
}

Pepsi.java

public class Pepsi extends ColdDrink {

   @Override
   public float price() {
      return 35.0f;
   }

   @Override
   public String name() {
      return "Pepsi";
   }
}

步骤 5

创建一个 Meal 类,带有上面定义的 Item 对象。

Meal.java

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Meal {
   private List<Item> items = new ArrayList<Item>();    

   public void addItem(Item item){
      items.add(item);
   }

   public float getCost(){
      float cost = 0.0f;
      for (Item item : items) {
         cost += item.price();
      }        
      return cost;
   }

   public void showItems(){
      for (Item item : items) {
         System.out.print("Item : "+item.name());
         System.out.print(", Packing : "+item.packing().pack());
         System.out.println(", Price : "+item.price());
      }        
   }    
}

步骤 6

创建一个 MealBuilder 类,实际的 builder 类负责创建 Meal 对象。

MealBuilder.java

public class MealBuilder {

   public Meal prepareVegMeal (){
      Meal meal = new Meal();
      meal.addItem(new VegBurger());
      meal.addItem(new Coke());
      return meal;
   }   

   public Meal prepareNonVegMeal (){
      Meal meal = new Meal();
      meal.addItem(new ChickenBurger());
      meal.addItem(new Pepsi());
      return meal;
   }
}

步骤 7

BuiderPatternDemo 使用 MealBuider 来演示建造者模式(Builder Pattern)。

BuilderPatternDemo.java

public class BuilderPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      MealBuilder mealBuilder = new MealBuilder();

      Meal vegMeal = mealBuilder.prepareVegMeal();
      System.out.println("Veg Meal");
      vegMeal.showItems();
      System.out.println("Total Cost: " +vegMeal.getCost());

      Meal nonVegMeal = mealBuilder.prepareNonVegMeal();
      System.out.println("\n\nNon-Veg Meal");
      nonVegMeal.showItems();
      System.out.println("Total Cost: " +nonVegMeal.getCost());
   }
}

步骤 8

验证输出。

Veg Meal
Item : Veg Burger, Packing : Wrapper, Price : 25.0
Item : Coke, Packing : Bottle, Price : 30.0
Total Cost: 55.0


Non-Veg Meal
Item : Chicken Burger, Packing : Wrapper, Price : 50.5
Item : Pepsi, Packing : Bottle, Price : 35.0
Total Cost: 85.5

5.原型模式

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。

实现

我们将创建一个抽象类 Shape 和扩展了 Shape 类的实体类。下一步是定义类 ShapeCache,该类把 shape 对象存储在一个 Hashtable 中,并在请求的时候返回它们的克隆。

PrototypPatternDemo,我们的演示类使用 ShapeCache 类来获取 Shape 对象。

原型模式的 UML 图

步骤 1

创建一个实现了 Clonable 接口的抽象类。

Shape.java

public abstract class Shape implements Cloneable {
   
   private String id;
   protected String type;
   
   abstract void draw();
   
   public String getType(){
      return type;
   }
   
   public String getId() {
      return id;
   }
   
   public void setId(String id) {
      this.id = id;
   }
   
   public Object clone() {
      Object clone = null;
      try {
         clone = super.clone();
      } catch (CloneNotSupportedException e) {
         e.printStackTrace();
      }
      return clone;
   }
}

步骤 2

创建扩展了上面抽象类的实体类。

Rectangle.java

public class Rectangle extends Shape {

   public Rectangle(){
     type = "Rectangle";
   }

   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
   }
}

Square.java

public class Square extends Shape {

   public Square(){
     type = "Square";
   }

   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Square::draw() method.");
   }
}

Circle.java

public class Circle extends Shape {

   public Circle(){
     type = "Circle";
   }

   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
   }
}

步骤 3

创建一个类,从数据库获取实体类,并把它们存储在一个 Hashtable 中。

ShapeCache.java

import java.util.Hashtable;

public class ShapeCache {
    
   private static Hashtable<String, Shape> shapeMap 
      = new Hashtable<String, Shape>();

   public static Shape getShape(String shapeId) {
      Shape cachedShape = shapeMap.get(shapeId);
      return (Shape) cachedShape.clone();
   }

   // 对每种形状都运行数据库查询,并创建该形状
   // shapeMap.put(shapeKey, shape);
   // 例如,我们要添加三种形状
   public static void loadCache() {
      Circle circle = new Circle();
      circle.setId("1");
      shapeMap.put(circle.getId(),circle);

      Square square = new Square();
      square.setId("2");
      shapeMap.put(square.getId(),square);

      Rectangle rectangle = new Rectangle();
      rectangle.setId("3");
      shapeMap.put(rectangle.getId(),rectangle);
   }
}

步骤 4

PrototypePatternDemo 使用 ShapeCache 类来获取存储在 Hashtable 中的形状的克隆。

PrototypePatternDemo.java

public class PrototypePatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      ShapeCache.loadCache();

      Shape clonedShape = (Shape) ShapeCache.getShape("1");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape.getType());        

      Shape clonedShape2 = (Shape) ShapeCache.getShape("2");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape2.getType());        

      Shape clonedShape3 = (Shape) ShapeCache.getShape("3");
      System.out.println("Shape : " + clonedShape3.getType());        
   }
}

步骤 5

验证输出。

Shape : Circle
Shape : Square
Shape : Rectangle