常见的几种设计模式（详细）——应用场景和实现方式

🎯单例模式

整个程序运行过程中，类只有一个实例，减少内存消耗

应用

1. 资源管理：需要共享的资源如数据库连接池、线程池等，确保只有一个实例管理这些资源
2. 全局配置：配置类
3. 日志记录器：在多线程或分布式环境中确保日志记录器唯一性

实现

实现时注意：

1. 构造器私有化，防止篡改
2. 只暴露一个公共的获取实例的方法
3. 是否线程安全

1. 饿汉式：线程安全，类加载的时候就实例化

   public class Singleton{private static final Singleton instance = new Singleton();private Singleton(){}public static Singleton getInstance(){return instance;}
   }
   

2. 懒汉式：线程不安全，使用到时再实例化

   public class Singleton{private static Singleton instance ;private Singleton(){}public static Singleton getInstance(){if(instance == null){instance = new Singleton();}return instance;}
   }
   

3. 双重检查锁：懒汉式的优化，线程安全（使用volatile防止指令重排序）

   public class Singleton{private static volatile Singleton instance; //使用volatile防止指针重排序private Singleton(){}public static Singleton getInstance(){if(instance == null){  //第一次检查synchronized(Singleton.class){if(instance == null){  //第二次检查，保证线程安全instance = new Singleton();}}}}
   }
   

4. 静态内部类：利用类加载机制实现懒加载和线程安全

   public class Singleton {private Singleton() {}private static class Holder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}public static Singleton getInstance() {return Holder.INSTANCE;}
   }

5. 枚举单例：简单且防止反射和序列化攻击

   public enum Singleton{INSTANCE;
   }Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
   

防止反射入侵：在构造器中添加一个判断，如果对象存在，则抛出异常

序列化和反序列化安全：添加一个readResolve()方法，在进行反序列化时会执行readResolve()方法，确保只有一个实例存在

🏭工厂模式

封装对象的创建逻辑，减低耦合

应用

动态创建不同类型的对象

实现

产品接口、产品实现类、工厂类

// 产品接口
public interface Product {void use();
}// 具体产品A
public class ConcreteProductA implements Product {@Overridepublic void use() {System.out.println("Using ConcreteProductA");}
}// 具体产品B
public class ConcreteProductB implements Product {@Overridepublic void use() {System.out.println("Using ConcreteProductB");}
}// 简单工厂类
public class SimpleFactory {public static Product createProduct(String type) {switch (type) {case "A":return new ConcreteProductA();case "B":return new ConcreteProductB();default:throw new IllegalArgumentException("Unknown product type");}}
}// 客户端代码
public class Client {public static void main(String[] args) {Product productA = SimpleFactory.createProduct("A");productA.use(); // Output: Using ConcreteProductAProduct productB = SimpleFactory.createProduct("B");productB.use(); // Output: Using ConcreteProductB}
}

❓策略模式

封装不同的算法，允许运行时选择不同的策略

应用

同一个业务使用不同的策略

1. 支付系统
2. 数据压缩
3. 日志策略

实现

策略接口、策略实现类（不同策略）、上下文类

// 策略接口
interface Strategy {void execute();
}// 具体策略A
class ConcreteStrategyA implements Strategy {@Overridepublic void execute() {System.out.println("Executing Strategy A");}
}// 具体策略B
class ConcreteStrategyB implements Strategy {@Overridepublic void execute() {System.out.println("Executing Strategy B");}
}// 上下文类
class Context {private Strategy strategy;public void setStrategy(Strategy strategy) {this.strategy = strategy;}public void executeStrategy() {if (strategy != null) {strategy.execute();} else {System.out.println("No strategy set");}}
}// 客户端
public class Main {public static void main(String[] args) {Context context = new Context();Strategy strategyA = new ConcreteStrategyA();Strategy strategyB = new ConcreteStrategyB();context.setStrategy(strategyA);context.executeStrategy(); // Output: Executing Strategy Acontext.setStrategy(strategyB);context.executeStrategy(); // Output: Executing Strategy B}
}

🧑‍⚖️代理模式

代理对象控制对目标对象的访问

应用

在不修改原来代码的基础上，实现对目标对象的控制和管理

1. 权限验证
2. 性能优化：通过代理实现缓存或延迟加载以提高系统性能
3. 远程访问：客户端访问远程对象时，通过代理封装远程调用细节
4. 日志记录：在方法调用时添加日志记录功能

实现

接口、实现类、代理类（静态代理）

public interface Subject{void request();
}public RealSubject implements Subject{@Overridepublic void request(){System.out.println("RealSubject request");}
}public class Proxy implements Subject{private RealSubject realSubject;@Overridepublic void request(){if(realSubject == null)realSubject = new RealSubject();System.out.println("before");realSubject.request();System.out.println("after");}
}public class Main{public static void main(String[] args){Subject proxy = new Proxy();proxy.request();}
}

🔍观察者模式（发布订阅模式）

一个对象状态变化时，依赖它的对象会收到通知

应用

1. 事件驱动系统：用户操作界面，通过监听事件触发响应
2. 系统间通信：某个模块发生变化，通知多个依赖模块
3. 订阅：数据更新，通知所有订阅者（推送通知）

实现

观察者接口、被观察者接口、观察者类、被观察者类

// 观察者接口
interface Observer {void update(String message);
}// 被观察者接口
interface Subject {void addObserver(Observer observer);void removeObserver(Observer observer);void notifyObservers();
}// 具体被观察者
class ConcreteSubject implements Subject {private List<Observer> observers = new ArrayList<>();private String state;@Overridepublic void addObserver(Observer observer) {observers.add(observer);}@Overridepublic void removeObserver(Observer observer) {observers.remove(observer);}@Overridepublic void notifyObservers() {for (Observer observer : observers) {observer.update(state);}}public void setState(String state) {this.state = state;notifyObservers();}
}// 具体观察者
class ConcreteObserver implements Observer {private String name;public ConcreteObserver(String name) {this.name = name;}@Overridepublic void update(String message) {System.out.println(name + " received update: " + message);}
}// 客户端
public class Main {public static void main(String[] args) {ConcreteSubject subject = new ConcreteSubject();Observer observer1 = new ConcreteObserver("Observer1");Observer observer2 = new ConcreteObserver("Observer2");subject.addObserver(observer1);subject.addObserver(observer2);subject.setState("New State 1");subject.setState("New State 2");}
}

🧰装饰器模式

不改变原始类，在其基础上动态扩展功能

应用

1. 动态扩展功能：对现有对象添加功能，但不希望通过继承方式
2. 不同功能的组合
3. 透明扩展：客户端无需了解对象是否被装饰过

实现

组件接口、具体组件实现类、装饰器抽象类、具体装饰器

// 组件接口
interface Component {void operation();
}// 具体组件
class ConcreteComponent implements Component {@Overridepublic void operation() {System.out.println("ConcreteComponent operation");}
}// 装饰器抽象类
abstract class Decorator implements Component {protected Component component;public Decorator(Component component) {this.component = component;}@Overridepublic void operation() {component.operation();}
}// 具体装饰器A
class ConcreteDecoratorA extends Decorator {public ConcreteDecoratorA(Component component) {super(component);}@Overridepublic void operation() {super.operation();System.out.println("ConcreteDecoratorA added behavior");}
}// 具体装饰器B
class ConcreteDecoratorB extends Decorator {public ConcreteDecoratorB(Component component) {super(component);}@Overridepublic void operation() {super.operation();System.out.println("ConcreteDecoratorB added behavior");}
}// 客户端
public class Main {public static void main(String[] args) {Component component = new ConcreteComponent();Component decoratorA = new ConcreteDecoratorA(component);Component decoratorB = new ConcreteDecoratorB(decoratorA);decoratorB.operation();// Output:// ConcreteComponent operation// ConcreteDecoratorA added behavior// ConcreteDecoratorB added behavior}
}

📰模版方法模式

定义一个逻辑框架，把具体的实现留给子类

应用

1. 定义算法骨架
2. 复用公共逻辑

例：抽象类、继承抽象类

​ 不同支付渠道的流程都是一样的，包括：前置的参数检查、核心支付逻辑、后置的检查等，可以抽象成一个模版方法（抽象类），不同支付渠道的实现类继承它，并实现支付逻辑。

实现

抽象类、继承抽象类

// 抽象类
abstract class DataProcessor {// 模板方法public final void process() {readData();processData();writeData();}protected abstract void readData(); // 读取数据protected abstract void processData(); // 处理数据protected void writeData() { // 写入数据System.out.println("Writing data to output.");}
}// 具体实现类A
class CSVDataProcessor extends DataProcessor {@Overrideprotected void readData() {System.out.println("Reading data from CSV file.");}@Overrideprotected void processData() {System.out.println("Processing CSV data.");}
}// 具体实现类B
class JSONDataProcessor extends DataProcessor {@Overrideprotected void readData() {System.out.println("Reading data from JSON file.");}@Overrideprotected void processData() {System.out.println("Processing JSON data.");}
}// 客户端
public class Main {public static void main(String[] args) {DataProcessor csvProcessor = new CSVDataProcessor();csvProcessor.process();DataProcessor jsonProcessor = new JSONDataProcessor();jsonProcessor.process();}
}

⛓️责任链模式

将多个对象连接成一条链，沿着这条链传递请求，让每个对象都有机会处理请求，请求会顺着链传递，直到某个对象可以处理。

应用

不同级别处理

1. 审批流程
2. 日志系统（不同级别的日志记录）

实现

抽象类、继承抽象类

// 处理器接口
abstract class Handler {protected Handler nextHandler;public void setNextHandler(Handler nextHandler) {this.nextHandler = nextHandler;}public abstract void handleRequest(String request);
}// 具体处理器A
class ConcreteHandlerA extends Handler {@Overridepublic void handleRequest(String request) {if ("A".equals(request)) {System.out.println("ConcreteHandlerA handled request: " + request);} else if (nextHandler != null) {nextHandler.handleRequest(request);} else {System.out.println("No handler for request: " + request);}}
}// 具体处理器B
class ConcreteHandlerB extends Handler {@Overridepublic void handleRequest(String request) {if ("B".equals(request)) {System.out.println("ConcreteHandlerB handled request: " + request);} else if (nextHandler != null) {nextHandler.handleRequest(request);} else {System.out.println("No handler for request: " + request);}}
}// 客户端
public class Main {public static void main(String[] args) {Handler handlerA = new ConcreteHandlerA();Handler handlerB = new ConcreteHandlerB();handlerA.setNextHandler(handlerB);handlerA.handleRequest("A"); // Output: ConcreteHandlerA handled request: AhandlerA.handleRequest("B"); // Output: ConcreteHandlerB handled request: BhandlerA.handleRequest("C"); // Output: No handler for request: C}
}