一次讲全！Java常见的23种设计模式

墨蓝 2023-10-14 08:15 8阅读 0赞

## 、什么是设计模式： ##

设计模式是一套经过反复使用的代码设计经验，目的是为了重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 设计模式于己于人于系统都是多赢的，它使得代码编写真正工程化，它是软件工程的基石，如同大厦的一块块砖石一样。项目中合理的运用设计模式可以完美的解决很多问题，每种模式在现实中都有相应的原理来与之对应，每种模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案，这也是它能被广泛应用的原因。

### 二、Java的23种设计模式： ###

接下来我们详细介绍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！

### 1、创建型-工厂方法模式： ###

工厂方法模式分为三种：

（1）简单工厂模式：

建立一个工厂类，并定义一个接口对实现了同一接口的产品类进行创建。首先看下关系图：

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（2）工厂方法模式：

工厂方法模式是对简单工厂模式的改进，简单工厂的缺陷在于不符合“开闭原则”，每次添加新产品类就需要修改工厂类，不利于系统的扩展维护。而工厂方法将工厂抽象化，并定义一个创建对象的接口。

每增加新产品，只需增加该产品以及对应的具体实现工厂类，由具体工厂类决定要实例化的产品是哪个，将对象的创建与实例化延迟到子类，这样工厂的设计就符合“开闭原则”了，扩展时不必去修改原来的代码。

（3）静态工厂方法模式：

静态工厂模式是将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。

### 2、创建型-抽象工厂模式： ###

抽象工厂模式主要用于创建相关对象的家族。当一个产品族中需要被设计在一起工作时，通过抽象工厂模式，能够保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象；并且通过隔离具体类的生成，使得客户端不需要明确指定具体生成类；所有的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的公共接口，因此只需要改变具体工厂的实例，就可以在某种程度上改变整个软件系统的行为。

但该模式的缺点在于添加新的行为时比较麻烦，如果需要添加一个新产品族对象时，需要更改接口及其下所有子类，这必然会带来很大的麻烦。

UML结构图如下：

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### 3、创建型-建造者模式： ###

建造者模式将复杂产品的创建步骤分解在在不同的方法中，使得创建过程更加清晰，从而更精确控制复杂对象的产生过程；通过隔离复杂对象的构建与使用，也就是将产品的创建与产品本身分离开来，使得同样的构建过程可以创建不同的对象；

并且每个具体建造者都相互独立，因此可以很方便地替换具体建造者或增加新的具体建造者，用户使用不同的具体建造者即可得到不同的产品对象。

### 4、创建型-单例模式： ###

单例模式可以确保系统中某个类只有一个实例，该类自行实例化并向整个系统提供这个实例的公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。

单例模式的优点在于：系统中只存在一个共用的实例对象，无需频繁创建和销毁对象，节约了系统资源，提高系统的性能；可以严格控制客户怎么样以及何时访问单例对象。

### 5、创建型-原型模式： ###

原型模式也是用于对象的创建，通过将一个对象作为原型，对其进行复制克隆，产生一个与源对象类似的新对象。

UML类图如下：

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在 Java 中，原型模式的核心是就是原型类 Prototype，Prototype 类需要具备以下两个条件：实现 Cloneable 接口；重写 Object 类中的 clone() 方法，用于返回对象的拷贝。

Object 类中的 clone() 方法默认是浅拷贝，如果想要深拷贝对象，则需要在 clone() 方法中自定义自己的复制逻辑：

浅复制：将一个对象复制后，基本数据类型的变量会重新创建，而引用类型指向的还是原对象所指向的内存地址。

深复制：将一个对象复制后，不论是基本数据类型还有引用类型，都是重新创建的。

上面我们介绍了5种创建型模式，下面我们就开始介绍下7种结构型模式：适配器模式、装饰模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

### 6、结构型-适配器模式： ###

适配器模式主要用于将一个类或者接口转化成客户端希望的格式，使得原本不兼容的类可以在一起工作，将目标类和适配者类解耦；同时也符合“开闭原则”，可以在不修改原代码的基础上增加新的适配器类；将具体的实现封装在适配者类中，对于客户端类来说是透明的，而且提高了适配者的复用性，但是缺点在于更换适配器的实现过程比较复杂。

所以，适配器模式比较适合以下场景：

（1）系统需要使用现有的类，而这些类的接口不符合系统的接口。

（2）使用第三方组件，组件接口定义和自己定义的不同，不希望修改自己的接口，但是要使用第三方组件接口的功能。

### 7、结构型-装饰器模式： ###

装饰器模式可以动态给对象添加一些额外的职责从而实现功能的拓展，在运行时选择不同的装饰器，从而实现不同的行为；比使用继承更加灵活，通过对不同的装饰类进行排列组合，创造出很多不同行为，得到功能更为强大的对象；符合“开闭原则”，被装饰类与装饰类独立变化，用户可以根据需要增加新的装饰类和被装饰类，在使用时再对其进行组合，原有代码无须改变。

但是装饰器模式也存在缺点，首先会产生很多的小对象，增加了系统的复杂性，第二是排错比较困难，对于多次装饰的对象，调试时寻找错误可能需要逐级排查，较为烦琐。

### 8、结构型-代理模式： ###

代理模式的设计动机是通过代理对象来访问真实对象，通过建立一个对象代理类，由代理对象控制原对象的引用，从而实现对真实对象的操作。

在代理模式中，代理对象主要起到一个中介的作用，用于协调与连接调用者(即客户端)和被调用者(即目标对象)，在一定程度上降低了系统的耦合度，同时也保护了目标对象。但缺点是在调用者与被调用者之间增加了代理对象，可能会造成请求的处理速度变慢。

### 9、结构型-桥接模式： ###

桥接模式将系统的抽象部分与实现部分分离解耦，使他们可以独立的变化。为了达到让抽象部分和实现部分独立变化的目的，桥接模式使用组合关系来代替继承关系，抽象部分拥有实现部分的接口对象，从而能够通过这个接口对象来调用具体实现部分的功能。

也就是说，桥接模式中的桥接是一个单方向的关系，只能够抽象部分去使用实现部分的对象，而不能反过来。

桥接模式符合“开闭原则”，提高了系统的可拓展性，在两个变化维度中任意扩展一个维度，都不需要修改原来的系统；并且实现细节对客户不透明，可以隐藏实现细节。但是由于聚合关系建立在抽象层，要求开发者针对抽象进行编程，这增加系统的理解和设计难度。

就像在Java中我们使用 JDBC 连接数据库时，在各个数据库之间进行切换，基本不需要动太多的代码，原因就是使用了桥接模式，JDBC 提供统一接口，每个数据库提供各自的实现，然后由桥接类创建一个连接数据库的驱动，使用某一个数据库的时候只需要切换一下就行。

### 10、结构型-外观模式： ###

外观模式通过对客户端提供一个统一的接口，用于访问子系统中的一群接口。使用外观模式有以下几点好处：

（1）更加易用：使得子系统更加易用，客户端不再需要了解子系统内部的实现，也不需要跟众多子系统内部的模块进行交互，只需要跟外观类交互就可以了；

（2）松散耦合：将客户端与子系统解耦，让子系统内部的模块能更容易扩展和维护。

（3）更好的划分访问层次：通过合理使用 Facade，可以更好地划分访问的层次，有些方法是对系统外的，有些方法是系统内部使用的。把需要暴露给外部的功能集中到门面中，这样既方便客户端使用，也很好地隐藏了内部的细节。

但是如果外观模式对子系统类做太多的限制则减少了可变性和灵活性，所以外观模式适用于为复杂子系统提供一个简单接口，提高系统的易用性场景 以及 引入外观模式将子系统与客户端进行解耦，提高子系统的独立性和可移植性。

### 11、结构型-组合模式： ###

组合模式将叶子对象和容器对象进行递归组合，形成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性，能够像处理叶子对象一样来处理组合对象，无需进行区分，从而使用户程序能够与复杂元素的内部结构进行解耦。

组合模式最关键的地方是叶子对象和组合对象实现了相同的抽象构建类，它既可表示叶子对象，也可表示容器对象，客户仅仅需要针对这个抽象构建类进行编程，这就是组合模式能够将叶子节点和对象节点进行一致处理的原因。

### 12、结构型-享元模式： ###

享元模式通过共享技术有效地支持细粒度、状态变化小的对象复用，当系统中存在有多个相同的对象，那么只共享一份，不必每个都去实例化一个对象，极大地减少系统中对象的数量，从而节省资源。

享元模式的核心是享元工厂类，享元工厂类维护了一个对象存储池，当客户端需要对象时，首先从享元池中获取，如果享元池中存在对象实例则直接返回，如果享元池中不存在，则创建一个新的享元对象实例返回给用户，并在享元池中保存该新增对象，这点有些单例的意思。

工厂类通常会使用集合类型来保存对象，如 HashMap、Hashtable、Vector 等等，在 Java 中，数据库连接池、线程池等都是用享元模式的应用。

Java 中，String 类型就是使用享元模式，String 对象是 final 类型，对象一旦创建就不可改变。而 Java 的字符串常量都是存在字符串常量池中的，JVM 会确保一个字符串常量在常量池中只有一个拷贝。

而且提到共享池，我们也很容易联想到 Java 里面的JDBC连接池，通过连接池的管理，实现了数据库连接的共享，不需要每一次都重新创建连接，节省了数据库重新创建的开销，提升了系统的性能！

前面我们介绍了7种结构型设计模式，接下来我们介绍一下11种行为型设计模式：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

### 13、行为型-策略模式： ###

将类中经常改变或者可能改变的部分提取为作为一个抽象策略接口类，然后在类中包含这个对象的实例，这样类实例在运行时就可以随意调用实现了这个接口的类的行为。

比如定义一系列的算法，把每一个算法封装起来，并且使它们可相互替换，使得算法可独立于使用它的客户而变化，这就是策略模式。

策略模式的优点在于可以动态改变对象的行为；但缺点是会产生很多策略类，并且策略模式的决定权在用户，系统只是提供不同算法的实现，所以客户端必须知道所有的策略类，并自行决定使用哪一个策略类；

（1）应用程序需要实现特定的功能服务，而该程序有多种实现方式使用，所以需要动态地在几种算法中选择一种

（2）一个类定义了多种行为算法，并且这些行为在类的操作中以多个条件语句的形式出现，就可以将相关的条件分支移入它们各自的Strategy类中以代替这些条件语句。

### 14、行为型-模板方法： ###

模板方法是基于继承实现的，在抽象父类中声明一个模板方法，并在模板方法中定义算法的执行步骤（即算法骨架）。在模板方法模式中，可以将子类共性的部分放在父类中实现，而特性的部分延迟到子类中实现，只需将特性部分在父类中声明成抽象方法即可，使得子类可以在不改变算法结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤，不同的子类可以以不同的方式来实现这些逻辑。

模板方法模式的优点在于符合“开闭原则”，也能够实现代码复用，将不变的行为转移到父类，去除子类中的重复代码。但是缺点是不同的实现都需要定义一个子类，导致类的个数的增加使得系统更加庞大，设计更加抽象。

### 15、行为型-责任链模式： ###

职责链可以将请求的处理者组织成一条链，并将请求沿着链传递，如果某个处理者能够处理请求则处理，否则将该请求交由上级处理。客户端只需将请求发送到职责链上，无须关注请求的处理细节，通过职责链将请求的发送者和处理者解耦了，这也是职责链的设计动机。

职责链模式可以简化对象间的相互连接，因为客户端和处理者都没有对方明确的信息，同时处理者也不知道职责链中的结构，处理者只需保存一个指向后续者的引用，而不需要保存所有候选者的引用。

另外职责链模式增加了系统的灵活性，我们可以任意增加或更改处理者，甚至更改处理者的顺序，不过有可能会导致一个请求无论如何也得不到处理，因为它可能被放置在链末端。

所以责任链模式有以下几个优点：

（1）降低耦合度，将请求的发送者和接收者解耦。反映在代码上就是不需要在类中写很多丑陋的 if….else 语句，如果用了职责链，相当于我们面对一个黑箱，只需将请求递交给其中一个处理者，然后让黑箱内部去负责传递就可以了。

（2）简化了对象，使得对象不需要链的结构。

（3）增加系统的灵活性，通过改变链内的成员或者调动他们的次序，允许动态地新增或者删除处理者

（4）增加新的请求处理类很方便。

但是责任链模式也存在一些缺点：

（1）不能保证请求一定被成功处理

（2）系统性能将受到一定影响，并且可能会造成循环调用。

（3）可能不容易观察运行时的特征，而且在进行代码调试时不太方便，有碍于除错。

### 16、行为型-观察者模式： ###

观察者模式又称为 发布-订阅模式，定义了对象之间一对多依赖关系，当目标对象(被观察者)的状态发生改变时，它的所有依赖者(观察者)都会收到通知。

一个观察目标可以对应多个观察者，而这些观察者之间没有相互联系，所以能够根据需要增加和删除观察者，使得系统更易于扩展，符合开闭原则；并且观察者模式让目标对象和观察者松耦合，虽然彼此不清楚对方的细节，但依然可以交互，目标对象只知道一个具体的观察者列表，但并不认识任何一个具体的观察者，它只知道他们都有一个共同的接口。

但观察者模式的缺点在于如果存在很多个被观察者的话，那么将需要花费一定时间通知所有的观察者，如果观察者与被观察者之间存在循环依赖的话，那么可能导致系统崩溃，并且观察者模式没有相应的机制让观察者知道被观察对象是怎么发生变化的，而仅仅只是知道观察目标发生了变化。

### 17、行为型-访问者模式： ###

访问者模式就是一种分离对象数据结构与行为 (基于数据结构的操作) 的方法，通过这种分离，达到为一个被访问者动态添加新的操作而无需做其它修改的效果，使得添加作用于这些数据结构的新操作变得简单，并且不需要改变各数据结构，为不同类型的数据结构提供多种访问操作方式，这样是访问者模式的设计动机。

除了使新增访问操作变得更加简单，也能够在不修改现有类的层次结构下，定义该类层次结构的操作，并将有关元素对象的访问行为集中到一个访问者对象中，而不是分散搞一个个的元素类中。

但访问者模式的缺点在于让增加新的元素类变得困难，每增加一个新的元素类都意味着要在抽象访问者角色中增加一个新的抽象操作，并在每一个具体访问者类中增加相应的具体操作，违背了“开闭原则”的要求；

所以访问者模式适用于对象结构中很少改变，但经常需要在此对象结构上定义新的操作的系统，使得算法操作的增加变得简单；或者需要对一个对象结构中进行很多不同并且不相关的操作，并且需要避免让这些操作污染这些对象，也不希望在增加新操作时修改这些类的场景。

访问者模式主要分为两个层次结构，一个是访问者层次结构，提供了抽象访问者和具体访问者，主要用于声明一些操作；一个是元素层次结构，提供了抽象元素和具体元素，主要用于声明 accept 操作；而对象结构 ObjectStructure 作为两者的桥梁，存储了不同类型的对象，以便不同的访问者来访问，相同访问者可以以不同的方式访问不同的元素，所以在访问者模式中增加新的访问者无需修改现有代码，可扩展行强。

### 18、行为型-中介者模式： ###

中介者模式通过中介者对象来封装一系列的对象交互，将对象间复杂的关系网状结构变成结构简单的以中介者为核心的星形结构，对象间一对多的关联转变为一对一的关联，简化对象间的关系，便于理解；各个对象之间的关系被解耦，每个对象不再和它关联的对象直接发生相互作用，而是通过中介者对象来与关联的对象进行通讯，使得对象可以相对独立地使用，提高了对象的可复用和系统的可扩展性。

在中介者模式中，中介者类处于核心地位，它封装了系统中所有对象类之间的关系，除了简化对象间的关系，还可以对对象间的交互进行进一步的控制。中介者模式的UML结构图如下：

但是，中介者对象封装了对象之间的关联关系，导致中介者对象变得比较庞大复杂，所承担的责任也比较多，维护起来也比较困难，它需要知道每个对象和他们之间的交互细节，如果它出问题，将会导致整个系统都会出问题。

### 19、行为型-命令模式： ###

命令模式的本质是将请求封装成对象，将发出命令与执行命令的责任分开，命令的发送者和接收者完全解耦，发送者只需知道如何发送命令，不需要关心命令是如何实现的，甚至是否执行成功都不需要理会。命令模式的关键在于引入了抽象命令接口，发送者针对抽象命令接口编程，只有实现了抽象命令接口的具体命令才能与接收者相关联。

使用命令模式的优势在于降低了系统的耦合度，而且新命令可以很方便添加到系统中，也容易设计一个组合命令。但缺点在于会导致某些系统有过多的具体命令类，因为针对每一个命令都需要设计一个具体命令类。

### 20、行为型-状态模式： ###

状态模式，就是允许对象在内部状态发生改变时改变它的行为，对象看起来就好像修改了它的类，也就是说以状态为原子来改变它的行为，而不是通过行为来改变状态。

当对象的行为取决于它的属性时，我们称这些属性为状态，那该对象就称为状态对象。对于状态对象而言，它的行为依赖于它的状态，比如要预订房间，只有当该房间空闲时才能预订，想入住该房间也只有当你预订了该房间或者该房间为空闲时。对于这样的一个对象，当它的外部事件产生互动的时候，其内部状态就会发生变化，从而使得他的行为也随之发生变化。

状态模式的优点在于：

（1）封装了转换规则，允许状态转换逻辑与状态对象合成一体，而不是某一个巨大的条件语句块

（2）将所有与状态有关的行为放到一个类中，可以方便地增加新的状态，只需要改变对象状态即可改变对象的行为。

但是状态模式的缺点在于：

（1）需要在枚举状态之前需要确定状态种类

（2）会导致增加系统类和对象的个数。

（3）对 “开闭原则” 的支持并不友好，新增状态类需要修改那些负责状态转换的源代码，否则无法切换到新增状态；而且修改某个状态类的行为也需修改对应类的源代码。

所以状态模式适用于：代码中包含大量与对象状态有关的条件语句，以及对象的行为依赖于它的状态，并且可以根据它的状态改变而改变它的相关行为。

### 21、行为型-备忘录模式： ###

备忘录模式提供了一种恢复状态的机制，在不破坏封装的前提下，捕获对象的某个时刻内部状态，并保存在该对象之外，保证该对象能够恢复到某个历史状态；备忘录模式将保存的细节封装在备忘录中，除了创建它的创建者之外其他对象都不能访问它，并且实现了即使要改变保存的细节也不影响客户端。但是备忘录模式都是多状态和多备份的，会早用较多的内存，消耗资源。

备忘录模式的核心就是备忘录 Memento，在备忘录中存储的就是原发器 Originator 的部分或者所有的状态信息，而这些状态信息是不能够被其他对象所访问的，也就是说我们是不能使用备忘录之外的对象来存储这些状态信息，如果暴漏了内部状态信息就违反了封装的原则，故备忘录除了原发器外其他对象都不可以访问。

所以为了实现备忘录模式的封装，我们需要对备忘录的访问做些控制：

（1）对原发器：可以访问备忘录里的所有信息。

（2）对负责人 caretaker：不可以访问备忘录里面的数据，但是他可以保存备忘录并且可以将备忘录传递给其他对象。

（3）其他对象：不可访问也不可以保存，它只负责接收从负责人那里传递过来的备忘录同时恢复原发器的状态。

### 22、行为型-迭代器模式： ###

迭代器模式提供一种访问集合中的各个元素，而不暴露其内部表示的方法。将在元素之间游走的职责交给迭代器，而不是集合对象，从而简化集合容器的实现，让集合容器专注于在它所应该专注的事情上，更加符合单一职责原则，避免在集合容器的抽象接口层中充斥着各种不同的遍历操作。

### 23、行为型-解释器模式： ###

解释器模式，就是定义语言的文法，并建立一个解释器来解释该语言中的句子，通过构建解释器，解决某一频繁发生的特定类型问题实例。

解释器模式描述了如何构成一个简单的语言解释器，主要应用在使用面向对象语言开发的编译器中，它描述了如何为简单的语言定义一个文法，如何在该语言中表示一个句子，以及如何解释这些句子。

解释器模式中除了能够使用文法规则来定义一个语言，还能通过使用抽象语法树来更加直观表示、更好地地表示一个语言的构成，每一颗抽象语法树对应一个语言实例。抽象语法树描述了如何构成一个复杂的句子，通过对抽象语法树的分析，可以识别出语言中的终结符和非终结符类。 在解释器模式中由于每一种终结符表达式、非终结符表达式都会有一个具体的实例与之相对应，所以系统的扩展性比较好。

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