设计模式之美

UML建模

统一建模语言（UML）是用来设计软件的可视化建模语言。它的语言特点是简单 统一 图形化 能表达软件设计中的动态与静态信息。

UML的分类

动态结构图： 类图 对象图 组件图 部署图

动态行为图： 状态图 活动图 时序图 协作图 构件图等

在UML类图中表示具体的类

在类的UML图中，使用长方形描述一个类的主要构成，长方形垂直地分为三层，以此放置类的名称、属性和方法。

在UML类图中表示抽象类

抽象类在UML类图中同样用矩形框表示，但是抽象类的类名以及抽象方法的名字都用斜体字表示，如图所示。

在UML类中表示接口

接口在类图中也是用矩形框表示，但是与类的表示法不同的是，接口在类图中的第一层顶端用构造型<<interface>>表示，下面是接口的名字，第二层是方法。

在UML类图中表示关系

类和类、类和接口、接口和接口之间存在一定关系，UML类图中一般会有连线指明它们之间的关系。

软件设计原则

1.开闭原则

定义：一个软件实体类 模块和函数应该对扩展开放，对修改关闭。

用抽象构建框架，用实现扩展细节

优点： 提高软件系统的可复用性及维护性

开闭原则是所有的设计模式的最核心的目标，顶层设计思维：

1. 抽象意识
2. 封装意识
3. 扩展的意思

2.依赖倒置原则

定义： 高层模块不应该依赖底层模块，二者都应该依赖其抽象

抽象不应该依赖细节；细节应该依赖抽象

针对接口编程，不要针对实现编程

优点： 可以减少类间的耦合度 提高系统稳定性 提高代码可读性和可维护性， 可降低修改程序所造成的风险。

3.单一职责原则

定义： 不要存在多余一个导致类变更的原因

一个类/接口/方法只负责一项职责

优点： 降低类的复杂度 提高类的可读性，提高系统的可维护性，降低变更引起的风险

如何判断一个类的职责是否单一？

1. 类中的代码行数 函数 或者属性过多
2. 类依赖的其他的类过多
3. 私有方法过多
4. 类中的大量方法总是操作类中的几个属性

4.接口隔离原则

定义： 用多个专门的接口，而不使用单一的总接口，客户端不应该依赖它不需要的接口

一个类对一个类的依赖应该建立在最小的接口上

建立单一接口，不要建立庞大臃肿的接口

尽量细化接口，接口中的方法尽量少

注意适度原则，一定要适度

优点：符合我们常说的高内聚低耦合的设计思想

从而使得类具有很好的可读性，可扩展性和可维护性。

遵循接口隔离原则的优势

1. 将臃肿接口分解成多个粒度晓得接口，可以提高系统的灵活性喝可维护性
2. 使用多个专门的接口，还能体现出对象的层次
3. 能顾减少项目工程中的冗余代码

5.迪米特法则

定义： 一个对象应该对其他对象保持最少的了解。又叫最少知道原则

尽量降低类与类之间的耦合

优点： 降低类之间的耦合

6.里氏替换原则

什么是替换

替换的前提是面向对象语言所支持的多态特性，同一个行为具有多个不同表现形式或形态的能力

简单说就是当我的一个方法的参数是一个接口类型时，这个方法可以接收所有实现过这个接口的实现类

什么是期望行为一致的替换

在不了解派生类的情况下，仅通过接口或基类的方法，即可清楚的知道方法的行为，而不管哪种派生类的实现，都与接口或基类方法的期望行为一致。

7.总结

单一职责（SRP）

• 概念：一个类只负责完成一个职责或功能
• 作用：1.提高类的内聚性 2.实现代码的高内聚 低耦合
• 不满足的4种情况： 类中的代码行数 函数 或者属性过多

类依赖的其他类过多

私有方法过多

类种大量的方法都是集中操作类中的几个属性

开闭原则（OCP）：

概念： 对扩展开放，对修改关闭

开闭原则并不是说完全的杜绝修改，而是以最小的修改代码的代价来完成新功能的开发

作用：新逻辑解耦，需要发生改变不会影响老业务的逻辑

改动成本最小，只需要追加新逻辑，不需要改的老逻辑

提高代码的稳定性喝可扩展性

如何做到开闭原则：

锻炼顶层思维：扩展意识 抽象意识 封装意识

提高代码扩展性的方式：多态 依赖注入 面向接口编程 合理使用设计模式

里氏替换原则(LSP):子类对象能够替换程序中父类对象出现的任何地方，并且保证原来程序的逻辑行为不变及正确性不被破坏

作用：为良好的继承定义了一个规范

提高代码的健壮性，降低程序出错的可能性

里氏替换原则与多态的区别：

多态是面向对象的一大特性，也是面向对象编程语言的一种语法。它是一种代码实现的思路。

里氏替换是一种设计原则，用来指导继承关系中子类该如何设计，在替换父类的时候，不改变原有程序的逻辑及不破坏原有程序的正确性。

接口隔离原则（ISP）

一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上，要为各个类建立它们需要的专用接口，而不要试图建立一个很庞大的接口供所有依赖它的类去调用。

作用：提高系统的灵活性喝可维护性

减少项目工程中的代码冗余

接口隔离原则与单一职责原则的区别：

单一职责原则注重的是职责，而接口隔离原则注重的是对接口依赖的隔离。

单一职责原则主要是约束类，它针对的是程序中实现和细节；

接口隔离原则主要是约束接口，主要争对抽象和程序整体框架的构建。

依赖倒置原则（DIP）

概念： 高层模块不应该依赖于底层模块，二者都应该依赖于抽象。抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。

作用：

减少类间的耦合性，提高系统的稳定性

降低并行开发引起的风险

提高代码的可读性和可维护性

依赖倒置 控制反转 依赖注入 ：

依赖倒置： 是一种通用的软件设计原则，主要用来指导框架层面的设计

控制反转： 与依赖倒置有一点相似，它也是一种框架设计常用的模式，但并不是具体的方法。

依赖注入： 是实现控制反转的一个手段，它是一种具体的编码技巧。

迪米特法则（LKP）:

概念： 不该有直接依赖关系的类之间，不要有依赖，有依赖的类之间，尽量只依赖必要的接口。

作用：如果两个软件实体无须直接通信，那么就不应当发生直接的相互调用，可以通过第三方转发调用。其目的是降低类之间的耦合度，提高模块的相对独立性。

使用注意：过渡使用迪米特法则回使系统大量的中介类，从而增加系统的复杂性，使模块之间的通信效率降低。所以，在采用迪米特法则时需要反复权衡，确保高内聚和低耦合的同时，保证系统的结构清晰。

创建型

简单工厂

适用场景： 工厂类负责创建的对象比较少

客户端（应用层）只知道传入工厂类的参数，对于如何创建对象（逻辑）不关心

优点： 只需要传入一个正确的参数，就可以获取你所需要的对象，而无须知道其创建细节

缺点：工厂类的职责相对过重，增加新的产品 需要修改工厂类的判断逻辑，违背了开闭原则。

/*** 简单工厂Demo*/
public class VideoFactor {//利用反射public  Video getVideo(Class c){Video video = null;try{video=(Video) Class.forName(c.getName()).newInstance();} catch (ClassNotFoundException e) {throw new RuntimeException(e);} catch (InstantiationException e) {throw new RuntimeException(e);} catch (IllegalAccessException e) {throw new RuntimeException(e);}return video;}//    public Video getVideo(String type) {//        if ("java".equals(type)) {//            return new JavaVideo();//        }else if ("python".equals(type)) {//            return new PythonVideo(); //        }//        return null;//    }
}

工厂模式

定义：定义一个创建对象的接口，但让实现这个接口的类来决定实例化那个类，工厂方法让类的实例化推迟到子类中进行。

适用场景： 创建对象需要大量重复的代码

客户端（应用层）不依赖于产品类实例如何被创建 实现等细节

一个类通过其子类来创建那个对象

优点：用户只需要关心所需产品对应的工厂，无须关心创建细节

加入新产品符合开闭原则，提高可扩展性

缺点： 类的个数容易过多，增加复杂度

增加了系统的抽象性和理解难度

抽象工厂模式

定义：抽象工厂模式提供一个创建一些列相关或相互依赖对象的接口

无须指定它们具体的类

适用场景：客户端（应用层）不依赖于产品类实例如何被创建 实现等细节

强调一些列相关的产品对象（属于同一产品族）一起适用创建对象需要大量重复的代码

提供一个产品类的库，所有的产品以同样的接口出现，从而使客户端不依赖于具体实现。

优点： 具体产品在应用层代码隔离，无须关心创建细节

将一个系列的产品族统一到一起创建

缺点：规定了所有可能被创建的产品集合，产品族中扩展新的产品困难，需要修改抽象工厂的接口。

增加了系统的抽象性和理解难度

建造者模式

定义： 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

用户只需指定需要建造的类型就可以得到它们，建造过程及细节不需要知道

适用场景： 如果一个对象有非常复杂的内部结构（很多属性）

想把复杂对象的创建和使用分离

优点： 封装性好，创建和使用分离

扩展性好 建造类之间独立，一定程度上解耦

缺点：

产生多余的Builder对象

产品内部发生变化，建造者都要修改，成本较大

package com.keyi.design.parrttern.builder.v2;public class Course {private String CourseName; private String CoursePPT;private String CourseVideo;private String CourseArticle;public Course(CourseBuilder courseBuilder) {this.CourseName = courseBuilder.courseName;this.CoursePPT = courseBuilder.coursePPT;this.CourseVideo = courseBuilder.courseVideo;this.CourseArticle = courseBuilder.courseArticle;}@Overridepublic String toString() {return "Course{" +"CourseName='" + CourseName + '\'' +", CoursePPT='" + CoursePPT + '\'' +", CourseVideo='" + CourseVideo + '\'' +", CourseArticle='" + CourseArticle + '\'' +'}';}public static class CourseBuilder {private String courseName;private String coursePPT;private String courseVideo;private String courseArticle;public CourseBuilder builderCourseName(String CourseName) {this.courseName = CourseName;return this;}public CourseBuilder builderCoursePPT(String coursePPT) {this.coursePPT = coursePPT;return this;}public CourseBuilder builderCourseVideo(String courseVideo) {this.courseVideo = courseVideo;return this;}public CourseBuilder builderCourseArticle(String courseArticle) {this.courseArticle = courseArticle;return this;}public Course build() {return new Course(this);}}
}

单例模式

保证一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点

适用场景：想确保任何情况下都绝对只有一个实例

优点： 在内存中只有一个实例，减少了内存开销

可以避免对资源的多重占用

设置全局访问点，严格控制访问

缺点： 没有接口，扩展困难

重点： 私有构造器 线程安全 延迟加载 序列化和反序列化安全 反射

单例模式和工厂模式

单例模式和享元模式

懒汉式

特点： 线程安全 内存消耗低 资源开销大 性能有影响

public class LazySingleton {private  static  LazySingleton lazySingleton=null;private LazySingleton() {}public synchronized static  LazySingleton getInstance(){if(lazySingleton==null){lazySingleton=new LazySingleton();}return lazySingleton;}
}

Double Check 双重检查锁的机制

public class LazySingletonDoubleCheck {//volatile 防止多线程中指令重排序 CPU共享内存  可见性private  volatile static LazySingletonDoubleCheck lazySingletonDoubleCheck=null;private LazySingletonDoubleCheck() {}public synchronized static  LazySingletonDoubleCheck getInstance(){if(lazySingletonDoubleCheck==null){synchronized (LazySingletonDoubleCheck.class){if(lazySingletonDoubleCheck==null){lazySingletonDoubleCheck=new LazySingletonDoubleCheck();//1.分配内存//2.初始化对象//3.设置LazySingletonDoubleCheck 指向刚分配的内存地址}}}return lazySingletonDoubleCheck;}
}

存在问题： 容易被反射破坏（反射可以修改构造器的权限）

public class StaticInnerClassSingleton {public static class InnerClass {private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton = new StaticInnerClassSingleton();}private StaticInnerClassSingleton() {if (InnerClass.staticInnerClassSingleton != null) {throw new RuntimeException("单例模式禁止被初始化");}}public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {return InnerClass.staticInnerClassSingleton;}
}

饿汉式

优点：类加载的时候就开始初始化 避免了线程同步的问题

缺点： 类加载的时候就开始初始化 没有延迟加载的效果 从来没有过 导致内存开销浪费

/*** 饿汉式 类加载的时候就开始了初始化*/
public class HungrySingLeton {private  final  static  HungrySingLeton hungrySingLeton = new HungrySingLeton();private HungrySingLeton() {if (hungrySingLeton!=null){throw new RuntimeException("单例模式禁止被初始化");}}public  static  HungrySingLeton getInstance(){return hungrySingLeton;}/*** 防止反射获取对象* @return*/public  Object readResolve() {return  hungrySingLeton;
}
}return hungrySingLeton;}
}

可以防止反射攻击（因为初始化的工作在类加载的时候就已经初始化好了，可以通过私有化构造器判断这个对象是否初始化的状态 来判定对象是否初始化）

枚举单例模式

public enum EnumInstance {INSTANCE;private  Object data;public Object getData() {return data;}public void setData(Object data) {this.data = data;}public  static  EnumInstance getInstance(){return  INSTANCE;}
}

解决了反射和序列化和反序列化的问题 （反编译看枚举的构造方法是有参和私有的） 比较像饿汉式 （反编译看初始化操作是静态代码块执行的）

容器单例模式

/*** 容器单例模式*/
public class ContainerSingleton {private static Map<String, Object> singletonMap = new HashMap<>();private ContainerSingleton() {}public static void putInstance(String key, Object instance) {if (StringUtils.isNotBlank(key) && instance != null) {singletonMap.put(key, instance);}}public  static   Object   getInstance(String key) { return singletonMap.get(key);}
}

原型模式

定义： 指原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象

不需要指定任何创建的细节，不调用构造函数

适用场景

类初始化消耗较多资源

new产生的一个对象需要非常繁琐的过程（数据准备 访问权限等）

构造函数比较复杂

循环体中生产大量对象时

优点： 原型模式性能比直接new一个对象性能高

简化创建过程

缺点： 必须配备克隆方法

对克隆复杂对象或对克隆出的对象进行复杂改造时，容易引入风险

深拷贝 浅拷贝要运用得当

package com.keyi.design.parrttern.prototype;
//浅克隆
public class Mail implements Cloneable {private String name;private String subject;private String body;public Mail() {System.out.println("Mail object created");}public String getSubject() {return subject;}public void setSubject(String subject) {this.subject = subject;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public String getBody() {return body;}public void setBody(String body) {this.body = body;}@Overridepublic String toString() {return "Mail{" +"name='" + name + '\'' +", subject='" + subject + '\'' +", body='" + body + '\'' +'}';}@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {return super.clone();}
}

public class A implements  Cloneable{@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {return super.clone();}
}
public class B extends  A{public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {B b = new B();B clone = (B) b.clone();}
}

public class Pig  implements Cloneable{public String name;private Date age;public Pig(String name, Date age) {this.name = name;this.age = age;}public Date getAge() {return age;}public void setAge(Date age) {this.age = age;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}@Overridepublic String toString() {return "Pig{" +"name='" + name + '\'' +", age=" + age +'}'+super.toString();}//深克隆@Overrideprotected Object clone() throws CloneNotSupportedException {Pig pig = (Pig) super.clone();pig.age = (Date) age.clone();return pig;}}

结构型

外观模式

定义： 又叫门面模式，提供了一个统一的接口，用来访问子系统中的一群接口

外观模式定义了一个高层接口，让子系统更容易使用

适用场景： 子系统越来越复杂，增加外观模式提供简单调用接口

构建多层系统结构，利用外观对象作为每层的入口，简化层间调用

优点： 简化了调用过程，无需了解深入子系统，防止带来风险。

减少系统依赖 松散耦合

更好的划分访问层次

符合迪米特法则，即最少知道原则

缺点： 增加子系统，扩展子系统行为容易引入风险

不符合开闭原则

外观模式和中介者模式

外观模式和单例模式

外观模式和抽象工作模式

装饰着模式

定义：在不改变原有对象的基础上，将功能附加到对象上

提供了比继承更有弹性的替代方案（扩展原有对象功能）

适用场景： 扩展一个类的功能或给一个类添加附加职责

动态的给一个对象添加功能，这些功能可以再动态的撤销

优点： 继承的有力补充，比继承灵活，不改变原有对象的情况下给一个对象扩展功能

通过使用不同装饰类以及这些 装饰类的排列组合，可以实现不同的效果。

符合开闭原则

缺点： 会出现更多的代码，更多的类，增加程序复杂性

动态装饰时，多层装饰时会更复杂

装饰着模式和代理模式

装饰者模式和适配器模式

适配器模式

定义： 将一个类的接口转换成客户期望的另一个接口

使原本接口不兼容的类可以一起工作

应用场景： 已经存在的类，它的方法和需求不匹配的（方法结果相同或相似）

不是软件设计阶段考虑的模式，是随着软件维护，由于不同产品，不同厂家造成功能类似而接口不同情况下的解决方案。

优点： 能提高类的透明性和复用，现有的类复用但不需要改变

目标类和适配器类解耦，提高程序扩展性

符合开闭原则

缺点： 适配器编写过程需要全面考虑，可能回增加系统的复杂性

增加系统代码可读的难度

扩展： 对象适配器 类适配器

适配器模式和外观模式

类适配器

public interface Target {void  request();
}

public class ConcreteTarget implements  Target{@Overridepublic void request() {System.out.println("ConcreteTarget request");}
}

/*** 适配器模式*/
public class Adapter extends Adaptee implements Target {@Overridepublic void request() {super.adapteeRequest();}
}

public class Adaptee {public  void  adapteeRequest(){System.out.println("被适配者的方法");}
}

对象适配器

/*** 适配器对象模式*/
public class Adapter  implements  Target{private Adaptee adaptee=new Adaptee();@Overridepublic void request() {adaptee.adapteeRequest();}
}

享元模式

定义： 提供了减少对象数量从而改善应用所需的对象结构的方式

运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象

使用场景： 常常应用于系统底层的开发，以便解决系统的性能问题。

系统有大量相似对象 需要缓冲池的场景

优点： 减少对象的创建，降低内存中对象的数量，降低系统的内存，提高效率

减少内存之外的其他资源占用

缺点： 内/外部状态 关注线程安全问题

使系统 程序的逻辑复杂化

扩展： 内部状态 外部状态

享元模式和代理模式

享元模式和单例模式

public interface Employee {void report();
}

public class EmployeeFactory {private static final Map<String, Employee> EMPLOYEE_MAP = new HashMap<String, Employee>();private EmployeeFactory() {}public static Employee getManger(String department) {Manger manger = (Manger) EMPLOYEE_MAP.get(department);if (manger == null) {manger = new Manger(department);System.out.println("创建部门经理：" + department);manger.setReportContent(department + "部门汇报:......");EMPLOYEE_MAP.put(department, manger);}return manger;}}

public class Manger implements  Employee{@Overridepublic void report() {System.out.println(reportContent);}private  String department;private   String  reportContent;public Manger(String department) {this.department = department;}public void setReportContent(String reportContent) {this.reportContent = reportContent;}
}

组合模式

定义：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构

组合模式使客户端对单个对象和组合对象保持一致的方式处理

适用场景： 希望客户端可以忽略组合对象与单个对象的差异时

处理一个树形结构时

优点： 清楚地定义分层次的复杂对象，表示对象的全部或部分层次

让客户端忽略了层次的差异，方便对整个层次结构进行控制

简化客户端代码

符合开闭原则

缺点： 限制类型时会较为复杂

使设计变得更加抽象

组合模式和访问者模式

桥接模式

定义： 将抽象部分与它的具体实现部分分离，使它们都可以独立地变化

通过组合的方式建立两个类之间联系，而不是继承

适用场景： 抽象和具体实现之间增加更多的灵活性

一个类存在两个（或多个）独立变化的维度，且这两个（或多个）维度都需要独立进行扩展。

不希望适用继承，或因为多层继承导致类的个数剧增

优点：分离抽象部分及其具体实现部分

提高了系统的可扩展性

符合开闭原则

缺点： 增加了系统的理解与设计难度

需要正确地识别出系统中两个独立变化的维度

桥接模式和组合模式

桥接模式和适配器模式

代理模式

定义： 为其他对象提供一种代理，以控制对这个对象的访问

代理对象在客户端和目标对象之间起到中介的作用

优点： 代理模式能将代理对象与真实被调用的目标对象分离

一定程序上降低了系统的耦合度，扩展性好

保护目标对象

增强目标对象

缺点：代理模式会造成系统设计中类的数目增加

在客户端和目标对象增加一个代理对象，会造成请求处理速度变慢

增加系统的复杂度

代理模式和装饰着模式

扩展：

静态代理：

动态代理：

CGLib代理：