设计模式 - 创建型模式

设计模式 - 创建型模式

从这一块开始，我们详细介绍Java中23种设计模式的概念，应用场景等情况，并结合他们的特点及设计模式的原则进行分析。

工厂方法模式（Factory Method）

工厂方法模式分为三种：

普通工厂模式

就是建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。首先看下关系图：

举例：（我们举一个动物叫的例子）
首先，创建公共接口：

// 动物的抽象类
public interface Animal {

    // 叫
    void call();
}

创建实现类：

// 猫
public class Cat implements Animal{

    @Override
    public void call() {
        System.out.println("喵喵喵");
    }
}

// 狗
public class Dog implements Animal{    
    @Override    
    public void call() { 
        System.out.println("汪汪汪");  
    }
}

创建建工厂类：

// 动物的创建工厂
public class AnimalFactory {

    // 创建方法
    public Animal product(String type) {
        if (type.equals("dog")) {
            return new Dog();
        } else if (type.equals("cat")) {
            return new Cat();
        }
        System.out.println("请输入正确的类型");
        return null;
    }
}

多个工厂方法模式

是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。关系图：

将上面的代码做下修改，改动下AnimalFactory类就行，如下：

// 动物的创建工厂
public class AnimalFactory {

    //  狗的工厂方法
    public Animal productDog(){
        return new Dog();
    }
    
    // 猫的工厂方法
    public Animal productCat(){
        return new Cat();
    }
}

静态工厂方法模式

将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。

// 动物的创建工厂
public class AnimalFactory {

    //  狗的静态工厂方法
    public static Animal productDog(){
        return new Dog();
    }

    // 猫的静态工厂方法
    public static Animal productCat(){
        return new Cat();
    }
}

总体来说，工厂模式适合：凡是出现了大量的产品需要创建，并且具有共同的接口时，可以通过工厂方法模式进行创建。在以上的三种模式中，第一种如果传入的字符串有误，不能正确创建对象，第三种相对于第二种，不需要实例化工厂类，所以，大多数情况下，我们会选用第三种——静态工厂方法模式。

抽象工厂模式（Abstract Factory）

工厂方法模式有一个问题就是，类的创建依赖工厂类，也就是说，如果想要拓展程序，必须对工厂类进行修改，这违背了闭包原则，所以，从设计角度考虑，有一定的问题，如何解决？就用到抽象工厂模式，创建多个工厂类，这样一旦需要增加新的功能，直接增加新的工厂类就可以了，不需要修改之前的代码。因为抽象工厂不太好理解，我们先看看图，然后就和代码，就比较容易理解。

请看例子：

// 动物的抽象类
public interface Animal {

    // 叫
    void call();
}

实现类：

// 猫
public class Cat implements Animal {

    @Override
    public void call() {
        System.out.println("喵喵喵");
    }
}

// 狗
public class Dog implements Animal {

    @Override
    public void call() {
        System.out.println("汪汪汪");
    }
}

工厂抽象类：

// 工厂抽象类
public interface Provider {

    Animal produce();
}

工厂实现类

// 猫的工厂方法
public class CatFactory implements Provider{

    @Override
    public Animal produce() {
        return new Cat();
    }
}

// 狗的工厂方法
public class DogFactory implements Provider{

    @Override
    public Animal produce() {
        return new Dog();
    }
}

抽象工厂的使用

public class Main {
    
    public static void main(String[] args) {
        Provider provider = new CatFactory();
        Animal animal = provider.produce();
        animal.call();
    }
}

其实这个模式的好处就是，如果你现在想增加一个功能：发及时信息，则只需做一个实现类，实现Sender接口，同时做一个工厂类，实现Provider接口，就OK了，无需去改动现成的代码。这样做，拓展性较好！

单例模式（Singleton）

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：
1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。
2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。
3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。
首先我们写一个简单的单例类：

// 单例类
public class Singleton {

    // 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载
    private static Singleton instance = null;

    // 私有构造方法，防止被实例化 
    private Singleton() {
    }

    // 静态工程方法，创建实例
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

    // 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致
    public Object readResolve() {
        return instance;
    }
}

这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了，如何解决？我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字

给方法加 synchronized

// 静态工程方法，创建实例
public static synchronized Singleton getInstance() {
	if (instance == null) {
		instance = new Singleton();
	}
	return instance;
}

但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个：

给创建单例对象加synchronized

// 静态工程方法，创建实例
public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (instance) {
            if (instance == null) {  // 双重判定
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance;
}

这似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的.

看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：
a>A、B线程同时进入了第一个if判断
b>A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();
c>由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。
d>B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
e>此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。
所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们对该程序做进一步优化：

// 用内部类来保证单例的唯一性
private static class SingletonFactory {
    // 单例对象
    private static Singleton instance = new Singleton();
}

// 获取单例对象方法
public static Singleton getInstance() {
    return SingletonFactory.instance;
}

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

// 单例类
public class Singleton {

    /**
     * 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载
     */
    private static Singleton instance = null;

    /* 私有构造方法，防止被实例化 */
    private Singleton() {
    }
    
    /**
     * 用内部类来保证单例的唯一性
     */
    private static class SingletonFactory {
        /**
         * 单例对象
         */
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }

    /**
     * 获取单例对象方法
     */
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonFactory.instance;
    }
    
    /**
     * 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致
     */
    public Object readResolve() {
        return instance;
    }
}

其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。

通过单例模式的学习告诉我们：
1、单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。
2、synchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁）。
到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？
首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）
其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。
再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static，无法被覆写。
最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的Java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像HashMap采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的优点，才能最好的解决问题！

建造者模式（Builder）

工厂类模式提供的是创建单个类的模式，而建造者模式则是将各种产品集中起来进行管理，用来创建复合对象，所谓复合对象就是指某个类具有不同的属性，其实建造者模式就是前面抽象工厂模式和最后的Test结合起来得到的。我们看一下代码：

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。

当一个类的构造函数参数个数超过4个，而且这些参数有些是可选的参数，考虑使用构造者模式。

创建的对象（必要）：

/**
 * 产品类--被建造的对象 电脑
 */
public class Computer {

    // cpu
    private String cpu ;

    // 主板
    private String mainBoard ;

    // 内存
    private String memory ;

    // 硬盘
    private String hardDisk ;
	
    // get set 方法
}

抽象的建造者（非必要）：

/**
 * 抽象的建造者，即装电脑的步骤
 * 至于安装什么型号的主板，不是我关心，而是具体的建造者关心的
 */
public interface Builder {
    
    // 安装主板
    void createMainBoard(String mainBoard) ;
    
    // 安装 cpu
    void createCpu(String cpu) ;
    
    // 安装硬盘
    void createhardDisk(String hardDisk) ;
    
    // 安装内存
    void createMemory(String memory) ;
    
    // 组成电脑
    Computer createComputer() ;
    
}

具体的建造者（必要）：

/**
 * 具体的建造者，这里是商场的一个装机人员
 */
public class AssemblerBuilder implements Builder {

    private Computer computer = new Computer();

    @Override
    public void createCpu(String cpu) {
        computer.setCpu(cpu);
    }

    @Override
    public void createhardDisk(String hardDisk) {
        computer.setHardDisk(hardDisk);
    }

    @Override
    public void createMainBoard(String mainBoard) {
        computer.setMainBoard(mainBoard);
    }

    @Override
    public void createMemory(String memory) {
        computer.setMemory(memory);
    }

    @Override
    public Computer createComputer() {
        return computer;
    }
}

指导者（非必要）：

/**
 * 声明一个导演类「指挥者，这里可以装电脑的老板」，用来指挥组装过程，也就是组装电脑的流程
 */
public class Director {
    private Builder builder;

    // 使用多态，装机工非常多，我管你小美，小兰，小猪，我统统收了
    public Director(Builder builder) {
        this.builder = builder;
    }

    // 老板最后只想看到装成的成品---要交到客户手中
    public Computer createComputer(String cpu, String hardDisk, String mainBoard, String memory) {
        // 具体的工作是装机工去做
        this.builder.createMainBoard(mainBoard);
        this.builder.createCpu(cpu);
        this.builder.createMemory(memory);
        this.builder.createhardDisk(hardDisk);
        return this.builder.createComputer();
    }
}

从这点看出，建造者模式将很多功能集成到一个类里，这个类可以创造出比较复杂的东西。所以与工程模式的区别就是：工厂模式关注的是创建单个产品，而建造者模式则关注创建符合对象，多个部分。因此，是选择工厂模式还是建造者模式，依实际情况而定。

原型模式（Prototype）

原型模式的定义

用原型实例指定创建对象的种类，并通过拷贝这些原型创建新的对象。

原型模式主要用于对象的复制，它的核心是就是类图中的原型类Prototype。Prototype类需要具备以下两个条件：

• 实现Cloneable接口。在java语言有一个Cloneable接口，它的作用只有一个，就是在运行时通知虚拟机可以安全地在实现了此接口的类上使用clone方法。在java虚拟机中，只有实现了这个接口的类才可以被拷贝，否则在运行时会抛出CloneNotSupportedException异常。
• 重写Object类中的clone方法。Java中，所有类的父类都是Object类，Object类中有一个clone方法，作用是返回对象的一个拷贝，但是其作用域protected类型的，一般的类无法调用，因此，Prototype类需要将clone方法的作用域修改为public类型。

原型模式是一种比较简单的模式，也非常容易理解，实现一个接口，重写一个方法即完成了原型模式。在实际应用中，原型模式很少单独出现。经常与其他模式混用，他的原型类Prototype也常用抽象类来替代。

原型模式的优点及适用场景

使用原型模式创建对象比直接new一个对象在性能上要好的多，因为Object类的clone方法是一个本地方法，它直接操作内存中的二进制流，特别是复制大对象时，性能的差别非常明显。

使用原型模式的另一个好处是简化对象的创建，使得创建对象就像我们在编辑文档时的复制粘贴一样简单。

因为以上优点，所以在需要重复地创建相似对象时可以考虑使用原型模式。比如需要在一个循环体内创建对象，假如对象创建过程比较复杂或者循环次数很多的话，使用原型模式不但可以简化创建过程，而且可以使系统的整体性能提高很多。

原型模式的注意事项

• 使用原型模式复制对象不会调用类的构造方法。因为对象的复制是通过调用Object类的clone方法来完成的，它直接在内存中复制数据，因此不会调用到类的构造方法。不但构造方法中的代码不会执行，甚至连访问权限都对原型模式无效。还记得单例模式吗？单例模式中，只要将构造方法的访问权限设置为private型，就可以实现单例。但是clone方法直接无视构造方法的权限，所以，单例模式与原型模式是冲突的，在使用时要特别注意。
• 深拷贝与浅拷贝。Object类的clone方法只会拷贝对象中的基本的数据类型，对于数组、容器对象、引用对象等都不会拷贝，这就是浅拷贝。如果要实现深拷贝，必须将原型模式中的数组、容器对象、引用对象等另行拷贝。

// Prototype对象继承Cloneable接口，clone方法就是克隆接口，object类有clone方法的实现
public class Prototype implements Cloneable {

    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {

        Prototype prototype = (Prototype) super.clone();
        return prototype;
    }
}

巨人的肩膀：

https://juejin.cn/post/6844903518449434638

https://www.jianshu.com/p/b96b37e8b760

https://wiki.jikexueyuan.com/project/java-design-pattern/prototype-pattern.html