• 一、前言
  • 二、设计模式概念
  • 三、单例模式
    • 意图
    • 类图
    • 使用场景
    • JDK 的使用
    • 实现
      • 懒汉式-线程不安全
      • 懒汉式-线程安全
      • 饿汉式-线程安全
      • 双重校验锁-线程安全
  • 四、简单工厂
    • 意图
    • 类图
    • 实现
  • 五、工厂方法模式
    • 意图
    • 类图
    • 实现
  • 六、抽象工厂模式
    • 意图
    • 类图
    • 代码实现
  • 参考资料

    一、前言

    文中涉及一些 UML 类图，为了更好地理解，可以先阅读 [UML 类图]。

    二、设计模式概念

    设计模式不是代码，而是解决问题的方案，学习现有的设计模式可以做到经验复用。

    拥有设计模式词汇，在沟通时就能用更少的词汇来讨论，并且不需要了解底层细节。

    三、单例模式

    意图

    确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点。

    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。

    设计模式 - 图1

    使用场景

    • Logger Classes
    • Configuration Classes
    • Accesing resources in shared mode
    • Factories implemented as Singletons

    JDK 的使用

    • java.lang.Runtime#getRuntime()
    • java.awt.Desktop#getDesktop()
    • java.lang.System#getSecurityManager()

    实现

    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) ，那么就会多次实例化 uniqueInstance。

    1. public class Singleton {
    3.     private static Singleton uniqueInstance;
    5.     private Singleton() {
    6.     }
    8.     public static Singleton getUniqueInstance() {
    9.         if (uniqueInstance == null) {
    10.             uniqueInstance = new Singleton();
    11.         }
    12.         return uniqueInstance;
    13.     }
    14. }

    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。

    1. public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
    2.     if (uniqueInstance == null) {
    3.         uniqueInstance = new Singleton();
    4.     }
    5.     return uniqueInstance;
    6. }

    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。

    1. private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    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 是否已经被初始化了，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

    1. public class Singleton {
    3.     private volatile static Singleton uniqueInstance;
    5.     private Singleton() {
    6.     }
    8.     public static Singleton getUniqueInstance() {
    9.         if (uniqueInstance == null) {
    10.             synchronized (Singleton.class) {
    11.                 if (uniqueInstance == null) {
    12.                     uniqueInstance = new Singleton();
    13.                 }
    14.             }
    15.         }
    16.         return uniqueInstance;
    17.     }
    18. }

    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，只是早晚的问题，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。

    1. if (uniqueInstance == null) {
    2.     synchronized (Singleton.class) {
    3.         uniqueInstance = new Singleton();
    4.     }
    5. }

    四、简单工厂

    意图

    在创建一个对象时不向客户暴露内部细节；

    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。

    设计模式 - 图2

    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。

    1. public class Client {
    2.     public static void main(String[] args) {
    3.         int type = 1;
    4.         Product product;
    5.         if (type == 1) {
    6.             product = new ConcreteProduct1();
    7.         } else if (type == 2) {
    8.             product = new ConcreteProduct2();
    9.         } else {
    10.             product = new ConcreteProduct();
    11.         }
    12.     }
    13. }

    实现

    1. public interface Product {
    2. }
    1. public class ConcreteProduct implements Product{
    2. }
    1. public class ConcreteProduct1 implements Product{
    2. }
    1. public class ConcreteProduct2 implements Product{
    2. }
    1. public class SimpleFactory {
    2.     public Product createProduct(int type) {
    3.         if (type == 1) {
    4.             return new ConcreteProduct1();
    5.         } else if (type == 2) {
    6.             return new ConcreteProduct2();
    7.         }
    8.         return new ConcreteProduct();
    9.     }
    10. }
    1. public class Client {
    2.     public static void main(String[] args) {
    3.         SimpleFactory simpleFactory = new SimpleFactory();
    4.         Product product = simpleFactory.createProduct(1);
    5.     }
    6. }

    五、工厂方法模式

    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 doSomethind() 方法，这个方法需要用到一组产品对象，这组产品对象由 factoryMethod() 方法创建。该方法是抽象的，需要由子类去实现。

    设计模式 - 图3

    实现

    1. public abstract class Factory {
    2.     abstract public Product factoryMethod();
    3.     public void doSomethind() {
    4.         Product product = factoryMethod();
    5.         // do something with the product
    6.     }
    7. }
    1. public class ConcreteFactory extends Factory {
    2.     public Product factoryMethod() {
    3.         return new ConcreteProduct();
    4.     }
    5. }
    1. public class ConcreteFactory1 extends Factory{
    2.     public Product factoryMethod() {
    3.         return new ConcreteProduct1();
    4.     }
    5. }
    1. public class ConcreteFactory2 extends Factory {
    2.     public Product factoryMethod() {
    3.         return new ConcreteProduct2();
    4.     }
    5. }

    六、抽象工厂模式

    意图

    提供一个接口，用于创建 相关的对象家族 。

    类图

    设计模式 - 图4

    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模式来创建单一对象，在类图左部，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，而工厂模式使用了继承。

    代码实现

    1. public class AbstractProductA {
    2. }
    1. public class AbstractProductB {
    2. }
    1. public class ProductA1 extends AbstractProductA {
    2. }
    1. public class ProductA2 extends AbstractProductA {
    2. }
    1. public class ProductB1 extends AbstractProductB{
    2. }
    1. public class ProductB2 extends AbstractProductB{
    2. }
    1. public abstract class AbstractFactory {
    2.     abstract AbstractProductA createProductA();
    3.     abstract AbstractProductB createProductB();
    4. }
    1. public class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory{
    2.     AbstractProductA createProductA() {
    3.         return new ProductA1();
    4.     }
    6.     AbstractProductB createProductB() {
    7.         return new ProductB1();
    8.     }
    9. }
    1. public class ConcreteFactory2 extends AbstractFactory {
    2.     AbstractProductA createProductA() {
    3.         return new ProductA2();
    4.     }
    6.     AbstractProductB createProductB() {
    7.         return new ProductB2();
    8.     }
    9. }
    1. public class Client {
    2.     public static void main(String[] args) {
    3.         AbstractFactory abstractFactory = new ConcreteFactory1();
    4.         AbstractProductA productA = abstractFactory.createProductA();
    5.         abstractFactory = new ConcreteFactory2();
    6.         productA = abstractFactory.createProductA();
    7.     }
    8. }

    参考资料

    • 弗里曼. Head First 设计模式 [M]. 中国电力出版社, 2007.
    • Design Patterns
    • Design patterns implemented in Java