Java的23种设计模式,详细讲解(三)

1. 适配器(Adapter)

Intent

把一个类接口转换成另一个用户需要的接口。

《Java的23种设计模式,详细讲解(三)》

Class Diagram

《Java的23种设计模式,详细讲解(三)》

Implementation

鸭子(Duck)和火鸡(Turkey)拥有不同的叫声,Duck 的叫声调用 quack() 方法,而 Turkey 调用 gobble() 方法。

要求将 Turkey 的 gobble() 方法适配成 Duck 的 quack() 方法,从而让火鸡冒充鸭子!

public interface Duck {
    void quack();
}
public interface Turkey {
    void gobble();
}
public class WildTurkey implements Turkey {
    @Override
    public void gobble() {
        System.out.println("gobble!");
    }
}
public class TurkeyAdapter implements Duck {
    Turkey turkey;

    public TurkeyAdapter(Turkey turkey) {
        this.turkey = turkey;
    }

    @Override
    public void quack() {
        turkey.gobble();
    }
}
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Turkey turkey = new WildTurkey();
        Duck duck = new TurkeyAdapter(turkey);
        duck.quack();
    }
}

JDK

2. 桥接(Bridge)

Intent

将抽象与实现分离开来,使它们可以独立变化。

Class Diagram

  • Abstraction:定义抽象类的接口
  • Implementor:定义实现类接口
《Java的23种设计模式,详细讲解(三)》

Implementation

RemoteControl 表示遥控器,指代 Abstraction。

TV 表示电视,指代 Implementor。

桥接模式将遥控器和电视分离开来,从而可以独立改变遥控器或者电视的实现。

public abstract class TV {
    public abstract void on();

    public abstract void off();

    public abstract void tuneChannel();
}
public class Sony extends TV {
    @Override
    public void on() {
        System.out.println("Sony.on()");
    }

    @Override
    public void off() {
        System.out.println("Sony.off()");
    }

    @Override
    public void tuneChannel() {
        System.out.println("Sony.tuneChannel()");
    }
}
public class RCA extends TV {
    @Override
    public void on() {
        System.out.println("RCA.on()");
    }

    @Override
    public void off() {
        System.out.println("RCA.off()");
    }

    @Override
    public void tuneChannel() {
        System.out.println("RCA.tuneChannel()");
    }
}
public abstract class RemoteControl {
    protected TV tv;

    public RemoteControl(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    public abstract void on();

    public abstract void off();

    public abstract void tuneChannel();
}
public class ConcreteRemoteControl1 extends RemoteControl {
    public ConcreteRemoteControl1(TV tv) {
        super(tv);
    }

    @Override
    public void on() {
        System.out.println("ConcreteRemoteControl1.on()");
        tv.on();
    }

    @Override
    public void off() {
        System.out.println("ConcreteRemoteControl1.off()");
        tv.off();
    }

    @Override
    public void tuneChannel() {
        System.out.println("ConcreteRemoteControl1.tuneChannel()");
        tv.tuneChannel();
    }
}
public class ConcreteRemoteControl2 extends RemoteControl {
    public ConcreteRemoteControl2(TV tv) {
        super(tv);
    }

    @Override
    public void on() {
        System.out.println("ConcreteRemoteControl2.on()");
        tv.on();
    }

    @Override
    public void off() {
        System.out.println("ConcreteRemoteControl2.off()");
        tv.off();
    }

    @Override
    public void tuneChannel() {
        System.out.println("ConcreteRemoteControl2.tuneChannel()");
        tv.tuneChannel();
    }
}
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        RemoteControl remoteControl1 = new ConcreteRemoteControl1(new RCA());
        remoteControl1.on();
        remoteControl1.off();
        remoteControl1.tuneChannel();
        RemoteControl remoteControl2 = new ConcreteRemoteControl2(new Sony());
         remoteControl2.on();
         remoteControl2.off();
         remoteControl2.tuneChannel();
    }
}

JDK

  • AWT (It provides an abstraction layer which maps onto the native OS the windowing support.)
  • JDBC

3. 组合(Composite)

Intent

将对象组合成树形结构来表示“整体/部分”层次关系,允许用户以相同的方式处理单独对象和组合对象。

Class Diagram

组件(Component)类是组合类(Composite)和叶子类(Leaf)的父类,可以把组合类看成是树的中间节点。

组合对象拥有一个或者多个组件对象,因此组合对象的操作可以委托给组件对象去处理,而组件对象可以是另一个组合对象或者叶子对象。

《Java的23种设计模式,详细讲解(三)》

Implementation

public abstract class Component {
    protected String name;

    public Component(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void print() {
        print(0);
    }

    abstract void print(int level);

    abstract public void add(Component component);

    abstract public void remove(Component component);
}
public class Composite extends Component {

    private List<Component> child;

    public Composite(String name) {
        super(name);
        child = new ArrayList<>();
    }

    @Override
    void print(int level) {
        for (int i = 0; i < level; i++) {
            System.out.print("--");
        }
        System.out.println("Composite:" + name);
        for (Component component : child) {
            component.print(level + 1);
        }
    }

    @Override
    public void add(Component component) {
        child.add(component);
    }

    @Override
    public void remove(Component component) {
        child.remove(component);
    }
}
public class Leaf extends Component {
    public Leaf(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    void print(int level) {
        for (int i = 0; i < level; i++) {
            System.out.print("--");
        }
        System.out.println("left:" + name);
    }

    @Override
    public void add(Component component) {
        throw new UnsupportedOperationException(); // 牺牲透明性换取单一职责原则,这样就不用考虑是叶子节点还是组合节点
    }

    @Override
    public void remove(Component component) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Composite root = new Composite("root");
        Component node1 = new Leaf("1");
        Component node2 = new Composite("2");
        Component node3 = new Leaf("3");
        root.add(node1);
        root.add(node2);
        root.add(node3);
        Component node21 = new Leaf("21");
        Component node22 = new Composite("22");
        node2.add(node21);
        node2.add(node22);
        Component node221 = new Leaf("221");
        node22.add(node221);
        root.print();
    }
}
Composite:root
--left:1
--Composite:2
----left:21
----Composite:22
------left:221
--left:3

JDK

  • javax.swing.JComponent#add(Component)
  • java.awt.Container#add(Component)
  • java.util.Map#putAll(Map)
  • java.util.List#addAll(Collection)
  • java.util.Set#addAll(Collection)

4. 装饰(Decorator)

Intent

为对象动态添加功能。

Class Diagram

装饰者(Decorator)和具体组件(ConcreteComponent)都继承自组件(Component),具体组件的方法实现不需要依赖于其它对象,而装饰者组合了一个组件,这样它可以装饰其它装饰者或者具体组件。所谓装饰,就是把这个装饰者套在被装饰者之上,从而动态扩展被装饰者的功能。装饰者的方法有一部分是自己的,这属于它的功能,然后调用被装饰者的方法实现,从而也保留了被装饰者的功能。可以看到,具体组件应当是装饰层次的最低层,因为只有具体组件的方法实现不需要依赖于其它对象。

《Java的23种设计模式,详细讲解(三)》

Implementation

设计不同种类的饮料,饮料可以添加配料,比如可以添加牛奶,并且支持动态添加新配料。每增加一种配料,该饮料的价格就会增加,要求计算一种饮料的价格。

下图表示在 DarkRoast 饮料上新增新添加 Mocha 配料,之后又添加了 Whip 配料。DarkRoast 被 Mocha 包裹,Mocha 又被 Whip 包裹。它们都继承自相同父类,都有 cost() 方法,外层类的 cost() 方法调用了内层类的 cost() 方法。

《Java的23种设计模式,详细讲解(三)》
public interface Beverage {
    double cost();
}
public class DarkRoast implements Beverage {
    @Override
    public double cost() {
        return 1;
    }
}
public class HouseBlend implements Beverage {
    @Override
    public double cost() {
        return 1;
    }
}
public abstract class CondimentDecorator implements Beverage {
    protected Beverage beverage;
}
public class Milk extends CondimentDecorator {

    public Milk(Beverage beverage) {
        this.beverage = beverage;
    }

    @Override
    public double cost() {
        return 1 + beverage.cost();
    }
}
public class Mocha extends CondimentDecorator {

    public Mocha(Beverage beverage) {
        this.beverage = beverage;
    }

    @Override
    public double cost() {
        return 1 + beverage.cost();
    }
}
public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        Beverage beverage = new HouseBlend();
        beverage = new Mocha(beverage);
        beverage = new Milk(beverage);
        System.out.println(beverage.cost());
    }
}
3.0

设计原则

类应该对扩展开放,对修改关闭:也就是添加新功能时不需要修改代码。饮料可以动态添加新的配料,而不需要去修改饮料的代码。

不可能把所有的类设计成都满足这一原则,应当把该原则应用于最有可能发生改变的地方。

JDK

  • java.io.BufferedInputStream(InputStream)
  • java.io.DataInputStream(InputStream)
  • java.io.BufferedOutputStream(OutputStream)
  • java.util.zip.ZipOutputStream(OutputStream)
  • java.util.Collections#checkedList|Map|Set|SortedSet|SortedMap

5. 外观(Facade)

Intent

提供了一个统一的接口,用来访问子系统中的一群接口,从而让子系统更容易使用。

Class Diagram

《Java的23种设计模式,详细讲解(三)》

Implementation

观看电影需要操作很多电器,使用外观模式实现一键看电影功能。

public class SubSystem {
    public void turnOnTV() {
        System.out.println("turnOnTV()");
    }

    public void setCD(String cd) {
        System.out.println("setCD( " + cd + " )");
    }

    public void startWatching(){
        System.out.println("startWatching()");
    }
}
public class Facade {
    private SubSystem subSystem = new SubSystem();

    public void watchMovie() {
        subSystem.turnOnTV();
        subSystem.setCD("a movie");
        subSystem.startWatching();
    }
}
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Facade facade = new Facade();
        facade.watchMovie();
    }
}

设计原则

最少知识原则:只和你的密友谈话。也就是说客户对象所需要交互的对象应当尽可能少。

6. 享元(Flyweight)

Intent

利用共享的方式来支持大量细粒度的对象,这些对象一部分内部状态是相同的。

Class Diagram

  • Flyweight:享元对象
  • IntrinsicState:内部状态,享元对象共享内部状态
  • ExtrinsicState:外部状态,每个享元对象的外部状态不同
《Java的23种设计模式,详细讲解(三)》

Implementation

public interface Flyweight {
    void doOperation(String extrinsicState);
}
public class ConcreteFlyweight implements Flyweight {

    private String intrinsicState;

    public ConcreteFlyweight(String intrinsicState) {
        this.intrinsicState = intrinsicState;
    }

    @Override
    public void doOperation(String extrinsicState) {
        System.out.println("Object address: " + System.identityHashCode(this));
        System.out.println("IntrinsicState: " + intrinsicState);
        System.out.println("ExtrinsicState: " + extrinsicState);
    }
}
public class FlyweightFactory {

    private HashMap<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<>();

    Flyweight getFlyweight(String intrinsicState) {
        if (!flyweights.containsKey(intrinsicState)) {
            Flyweight flyweight = new ConcreteFlyweight(intrinsicState);
            flyweights.put(intrinsicState, flyweight);
        }
        return flyweights.get(intrinsicState);
    }
}
public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
        Flyweight flyweight1 = factory.getFlyweight("aa");
        Flyweight flyweight2 = factory.getFlyweight("aa");
        flyweight1.doOperation("x");
        flyweight2.doOperation("y");
    }
}
Object address: 1163157884
IntrinsicState: aa
ExtrinsicState: x
Object address: 1163157884
IntrinsicState: aa
ExtrinsicState: y

JDK

Java 利用缓存来加速大量小对象的访问时间。

  • java.lang.Integer#valueOf(int)
  • java.lang.Boolean#valueOf(boolean)
  • java.lang.Byte#valueOf(byte)
  • java.lang.Character#valueOf(char)

7. 代理(Proxy)

Intent

控制对其它对象的访问。

Class Diagram

代理有以下四类:

  • 远程代理(Remote Proxy):控制对远程对象(不同地址空间)的访问,它负责将请求及其参数进行编码,并向不同地址空间中的对象发送已经编码的请求。
  • 虚拟代理(Virtual Proxy):根据需要创建开销很大的对象,它可以缓存实体的附加信息,以便延迟对它的访问,例如在网站加载一个很大图片时,不能马上完成,可以用虚拟代理缓存图片的大小信息,然后生成一张临时图片代替原始图片。
  • 保护代理(Protection Proxy):按权限控制对象的访问,它负责检查调用者是否具有实现一个请求所必须的访问权限。
  • 智能代理(Smart Reference):取代了简单的指针,它在访问对象时执行一些附加操作:记录对象的引用次数;当第一次引用一个对象时,将它装入内存;在访问一个实际对象前,检查是否已经锁定了它,以确保其它对象不能改变它。
public interface Image {
    void showImage();
}
public class HighResolutionImage implements Image {

    private URL imageURL;
    private long startTime;
    private int height;
    private int width;

    public int getHeight() {
        return height;
    }

    public int getWidth() {
        return width;
    }

    public HighResolutionImage(URL imageURL) {
        this.imageURL = imageURL;
        this.startTime = System.currentTimeMillis();
        this.width = 600;
        this.height = 600;
    }

    public boolean isLoad() {
        // 模拟图片加载,延迟 3s 加载完成
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        return endTime - startTime > 3000;
    }

    @Override
    public void showImage() {
        System.out.println("Real Image: " + imageURL);
    }
}
public class ImageProxy implements Image {

    private HighResolutionImage highResolutionImage;

    public ImageProxy(HighResolutionImage highResolutionImage) {
        this.highResolutionImage = highResolutionImage;
    }

    @Override
    public void showImage() {
        while (!highResolutionImage.isLoad()) {
            try {
                System.out.println("Temp Image: " + highResolutionImage.getWidth() + " " + highResolutionImage.getHeight());
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        highResolutionImage.showImage();
    }
}
public class ImageViewer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String image = "http://image.jpg";
        URL url = new URL(image);
        HighResolutionImage highResolutionImage = new HighResolutionImage(url);
        ImageProxy imageProxy = new ImageProxy(highResolutionImage);
        imageProxy.showImage();
    }
}

JDK

  • java.lang.reflect.Proxy
  • RMI

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