java八股文面试[设计模式]——结构型模式

红太狼 2024-03-08 02:00 50阅读 0赞

**目录**

代理模式

适配器模式

默认适配器模式

对象适配器模式

类适配器模式

桥梁模式

装饰模式

门面模式

组合模式

享元模式

结构型模式总结

--------------------

结构型模式旨在通过**改变代码结构**来达到**解耦**的目的，使得我们的代码**容易维护和扩展**。

###### **代理模式** ######

第一个要介绍的代理模式是最常使用的模式之一了，用一个**代理**来**隐藏具体实现类的实现细节**，通常还用于在真实的实现的前后**添加一部分逻辑**。

既然说是代理，那就要对客户端隐藏真实实现，由代理来负责客户端的所有请求。当然，代理只是个代理，它**不会完成实际的业务逻辑**，而是**一层皮**而已，但是对于客户端来说，它必须**表现得就是**客户端需要的真实实现。

理解代理这个词，这个模式其实就简单了。

public interface FoodService {
        Food makeChicken();
        Food makeNoodle();
    }
    
    public class FoodServiceImpl implements FoodService {
        public Food makeChicken() {
              Food f = new Chicken()
            f.setChicken("1kg");
              f.setSpicy("1g");
              f.setSalt("3g");
            return f;
        }
        public Food makeNoodle() {
            Food f = new Noodle();
            f.setNoodle("500g");
            f.setSalt("5g");
            return f;
        }
    }
    
    // 代理要表现得“就像是”真实实现类，所以需要实现 FoodService
    public class FoodServiceProxy implements FoodService {
    
        // 内部一定要有一个真实的实现类，当然也可以通过构造方法注入
        private FoodService foodService = new FoodServiceImpl();
    
        public Food makeChicken() {
            System.out.println("我们马上要开始制作鸡肉了");
    
            // 如果我们定义这句为核心代码的话，那么，核心代码是真实实现类做的，
            // 代理只是在核心代码前后做些“无足轻重”的事情
            Food food = foodService.makeChicken();
    
            System.out.println("鸡肉制作完成啦，加点胡椒粉"); // 增强
              food.addCondiment("pepper");
    
            return food;
        }
        public Food makeNoodle() {
            System.out.println("准备制作拉面~");
            Food food = foodService.makeNoodle();
            System.out.println("制作完成啦")
            return food;
        }
    }

客户端调用，注意，我们要用**代理来实例化接口**：

// 这里用代理类来实例化
    FoodService foodService = new FoodServiceProxy();
    foodService.makeChicken();

![图片][7c42c7112dea1985c40abde6945b71a5.png]

我们发现没有，代理模式说白了就是做 “**方法包装**” 或做 “方法**增强**”。在面向**切面编程**中，其实就是**动态代理**的过程。比如 Spring 中，我们自己不定义代理类，但是 Spring 会帮我们动态来定义代理，然后把我们定义在 **@Before、@After、@Around** 中的代码逻辑动态添加到代理中。

说到动态代理，又可以展开说，Spring 中实现动态代理有两种，一种是如果我们的类定义了接口，如 UserService 接口和 UserServiceImpl 实现，那么采用 **JDK 的动态代理**，感兴趣的读者可以去看看 java.lang.reflect.Proxy 类的源码；另一种是我们**自己没有定义接口**的，Spring 会采用 **CGLIB** 进行动态代理，它是一个 jar 包，**性能**还不错。

###### **适配器模式** ######

说完代理模式，说适配器模式，是因为它们**很相似**，这里可以做个比较。

适配器模式做的就是，有一个接口**需要实现**，但是我们现成的**对象都不满足**，需要**加一层适配器**来进行适配。

适配器模式总体来说**分三种**：**默认**适配器模式、**对象**适配器模式、**类**适配器模式。先不急着分清楚这几个，先看看例子再说。

###### **默认适配器模式** ######

首先，我们先看看最简单的适配器模式默认适配器模式(Default Adapter)是怎么样的。

我们用 Appache commons-io 包中的 **FileAlteration**Listener 做例子，此接口定义了很多的方法，用于对文件或文件夹进行**监控**，一旦发生了对应的操作，就会触发相应的方法。

public interface FileAlterationListener {
        void onStart(final FileAlterationObserver observer);
        void onDirectoryCreate(final File directory);
        void onDirectoryChange(final File directory);
        void onDirectoryDelete(final File directory);
        void onFileCreate(final File file);
        void onFileChange(final File file);
        void onFileDelete(final File file);
        void onStop(final FileAlterationObserver observer);
    }

此接口的一大问题是**抽象方法太多了**，如果我们要用这个接口，意味着我们要**实现每一个**抽象方法，如果我们**只是想要**监控文件夹中的**文件创建和文件删除事件**，可是我们还是不得不实现所有的方法，很明显，这不是我们想要的。

所以，我们需要下面的一个适配器，它用于实现上面的接口，但是所有的方法都是**空方法**，这样，我们就可以转而**定义自己的类**来继承下面这个类即可。

public class FileAlterationListenerAdaptor implements FileAlterationListener {
    
        public void onStart(final FileAlterationObserver observer) {
        }
    
        public void onDirectoryCreate(final File directory) {
        }
    
        public void onDirectoryChange(final File directory) {
        }
    
        public void onDirectoryDelete(final File directory) {
        }
    
        public void onFileCreate(final File file) {
        }
    
        public void onFileChange(final File file) {
        }
    
        public void onFileDelete(final File file) {
        }
    
        public void onStop(final FileAlterationObserver observer) {
        }
    }

比如我们可以定义以下类，我们仅仅需要实现我们想实现的方法就可以了：

public class FileMonitor extends FileAlterationListenerAdaptor {
        public void onFileCreate(final File file) {
            // 文件创建
            doSomething();
        }
    
        public void onFileDelete(final File file) {
            // 文件删除
            doSomething();
        }
    }

当然，上面说的只是适配器模式的**其中一种**，也是最简单的一种，无需多言。下面，再介绍“正统的”适配器模式。

###### **对象适配器模式** ######

来看一个《Head First 设计模式》中的一个例子，我稍微修改了一下，看看怎么**将鸡适配成鸭**，这样鸡也能当鸭来用。因为，现在鸭这个接口，我们没有**合适的实现类**可以用，所以需要适配器。

public interface Duck {
        public void quack(); // 鸭的呱呱叫
        public void fly(); // 飞
    }
    
    public interface Cock {
        public void gobble(); // 鸡的咕咕叫
        public void fly(); // 飞
    }
    
    public class WildCock implements Cock {
        public void gobble() {
            System.out.println("咕咕叫");
        }
        public void fly() {
            System.out.println("鸡也会飞哦");
        }
    }

鸭接口有 **fly()** 和 **quare**() 两个方法，鸡 Cock 如果要冒充鸭，fly() 方法**是现成的**，但是鸡不会鸭的呱呱叫，没有 quack() 方法。这个时候就需要适配了：

毫无疑问，首先，这个适配器肯定需要 implements Duck，这样才能当做鸭来用

public class CockAdapter implements Duck {
    
        Cock cock;
        // 构造方法中需要一个鸡的实例，此类就是将这只鸡适配成鸭来用
          public CockAdapter(Cock cock) {
            this.cock = cock;
        }
    
        // 实现鸭的呱呱叫方法
        @Override
          public void quack() {
            // 内部其实是一只鸡的咕咕叫
            cock.gobble();
        }
    
          @Override
          public void fly() {
            cock.fly();
        }
    }

客户端调用很简单了：

public static void main(String[] args) {
        // 有一只野鸡
          Cock wildCock = new WildCock();
          // 成功将野鸡适配成鸭
          Duck duck = new CockAdapter(wildCock);
          ...
    }

到这里，大家也就知道了适配器模式是怎么回事了。无非是我们**需要一只鸭**，但是我们只有一只鸡，这个时候就需要定义一个适配器，由这个**适配器来充当鸭**，但是适配器里面的方法还**是由鸡来实现的**。

我们用一个图来简单说明下：

![图片][d9bdf1719ddc55b6bcebacc49ccdf63f.png]

上图应该还是很容易理解的，我就不做更多的解释了。下面，我们看看类适配模式怎么样的。

###### **类适配器模式** ######

废话少说，直接上图：

![图片][b0c2b1fc8b02dc7f95bfe8b04cfcac09.png]

看到这个图，大家应该很容易理解的吧，**通过继承的方法**，适配器**自动获得**了所需要的大部分方法。这个时候，客户端使用更加简单，直接 Target t = **new SomeAdapter()**; 就可以了。

**适配器模式总结**

类适配和对象适配的异同：

*  一个采用**继承**，一个采用**组合**；
 *  类适配属于**静态实现**，对象适配属于组合的**动态实现**，对象适配需**要多实例化一个对象**；
 *  总体来说，对象适配**用得比较多**。

**适配器模式**和**代理模式**的异同：比较这两种模式，其实是比较**对象**适配器模式和代理模式，在代码结构上，它们很相似，都需要一个**具体的实现类的实例**。

但是它们的**目的不一样**，代理模式做的是**增强**原方法的活；适配器做的是**适配**的活，为的是提供“把鸡包装成鸭，然后当做鸭来使用”，而鸡和鸭它们之间原本**没有继承关系**。

![图片][75aed6177dfea5acee85a99084f1b33d.png]

###### **桥梁模式** ######

理解桥梁模式，其实就是理解**代码抽象和解耦**。

我们首先需要一个桥梁，它是一个接口，定义提供的接口方法。

public interface DrawAPI {
       public void draw(int radius, int x, int y);
    }

然后是一系列实现类：

public class RedPen implements DrawAPI {
        @Override
        public void draw(int radius, int x, int y) {
            System.out.println("用红色笔画图，radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
        }
    }
    public class GreenPen implements DrawAPI {
        @Override
        public void draw(int radius, int x, int y) {
            System.out.println("用绿色笔画图，radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
        }
    }
    public class BluePen implements DrawAPI {
        @Override
        public void draw(int radius, int x, int y) {
            System.out.println("用蓝色笔画图，radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
        }
    }

定义一个**抽象类**，此类的实现类都需要使用 **DrawAPI**：

public abstract class Shape {
        protected DrawAPI drawAPI;
        protected Shape(DrawAPI drawAPI) {
            this.drawAPI = drawAPI;
        }
        public abstract void draw();
    }

定义抽象类的子类：

// 圆形
    public class Circle extends Shape {
        private int radius;
        public Circle(int radius, DrawAPI drawAPI) {
            super(drawAPI);
            this.radius = radius;
        }
        public void draw() {
            drawAPI.draw(radius, 0, 0);
        }
    }
    // 长方形
    public class Rectangle extends Shape {
        private int x;
        private int y;
        public Rectangle(int x, int y, DrawAPI drawAPI) {
            super(drawAPI);
            this.x = x;
            this.y = y;
        }
        public void draw() {
            drawAPI.draw(0, x, y);
        }
    }

最后，我们来看客户端演示：

public static void main(String[] args) {
        Shape greenCircle = new Circle(10, new GreenPen());
        Shape redRectangle = new Rectangle(4, 8, new RedPen());
        greenCircle.draw();
        redRectangle.draw();
    }

可能大家看上面一步步还不是特别清晰，我把所有的东西整合到一张图上：

![图片][94996b96b70f0c3198b8d3ae923b85b5.png]

这回大家应该就知道抽象在哪里，怎么解耦了吧。桥梁模式的优点也是显而易见的，就是非常容易进行扩展。（抽象类使用接口DrawAPI作为**成员变量**，业务可以根据具体的需要创建目标对象）

###### **装饰模式** ######

要把装饰模式说清楚明白，不是件容易的事情。也许读者知道 Java IO 中的几个类是**典型**的装饰模式的应用，但是读者不一定清楚其中的关系，也许看完就忘了，希望看完这节后，读者可以对其有更深的感悟。

首先，我们先看一个简单的图，看这个图的时候，了解下层次结构就可以了：

![图片][be8e3a7659b83f59307f9958604d4479.png]

我们来说说装饰模式的出发点，从图中可以看到，接口 Component 其实已经有了 ConcreteComponentA 和 ConcreteComponentB 两个实现类了，但是，如果我们要**增强**这两个实现类的话，我们就可以采用装饰模式，用**具体的装饰器来装饰实现类**，以达到增强的目的。

从名字来简单解释下装饰器。既然说是**装饰**，那么往往就是**添加小功能**这种，而且，我们要满足可以添加多个小功能。

最简单的，代理模式就可以实现功能的增强，但是代理**不容易实现多个功能的增强**，当然你可以说用代理包装代理的**多层包装**方式，但是那样的话代码就复杂了。

首先明白一些简单的概念，从图中我们看到，所有的具体装饰者们 ConcreteDecorator\*\*\* 都可以**作为 Component 来使用**，因为它们都**实现了** Component 中的所有接口。它们和 Component 实现类 ConcreteComponent\* 的区别是，它们只是装饰者，起装饰作用，也就是即使它们看上去**牛逼轰轰**，但是它们都只是在具体的实现中**加了层皮**来装饰\*\*而已。

注意这段话中混杂在各个名词中的 Component 和 Decorator，别搞混了。

下面来看看一个例子，先把装饰模式弄清楚，然后再介绍下 java io 中的装饰模式的应用。

最近大街上流行起来了“**快乐柠檬**”，我们把快乐柠檬的饮料分为**三类**：**红茶、绿茶、咖啡**，在这三大类的基础上，又增加了**许多的口味**，什么**金桔柠檬**红茶、金桔柠檬珍珠绿茶、**芒果**红茶、芒果绿茶、芒果珍珠红茶、烤珍珠红茶、烤珍珠芒果绿茶、椰香胚芽咖啡、焦糖可可咖啡等等，每家店都有很长的菜单，但是仔细看下，**其实原料也没几样**，但是可以**搭配出很多组合**，如果顾客需要，很多没出现在菜单中的饮料他们也是可以做的。

在这个例子中，红茶、绿茶、咖啡是**最基础的饮料**，其他的像金桔柠檬、芒果、珍珠、椰果、焦糖等都属于**装饰用**的。当然，在开发中，我们确实可以像门店一样，开发这些类：LemonBlackTea、LemonGreenTea、MangoBlackTea、MangoLemonGreenTea......但是，很快我们就发现，这样子干肯定是不行的，这会导致我们需要**组合出所有的可能**，而且如果客人需要在红茶中加双份柠檬怎么办？三份柠檬怎么办？

不说废话了，上代码。

首先，定义饮料抽象基类：

public abstract class Beverage {
          // 返回描述
          public abstract String getDescription();
          // 返回价格
          public abstract double cost();
    }

然后是三个基础饮料实现类，红茶、绿茶和咖啡：

public class BlackTea extends Beverage {
          public String getDescription() {
            return "红茶";
        }
          public double cost() {
            return 10;
        }
    }
    public class GreenTea extends Beverage {
        public String getDescription() {
            return "绿茶";
        }
          public double cost() {
            return 11;
        }
    }
    ...// 咖啡省略

定义调料，也就是**装饰者的基类**，此类**必须继承自 Beverage**：

// 调料
    public abstract class Condiment extends Beverage {
    
    }

然后我们来定义柠檬、芒果等具体的调料，它们属于装饰者，毫无疑问，这些调料肯定都需要**继承调料 Condiment 类**：

public class Lemon extends Condiment {
        private Beverage bevarage;
        // 这里很关键，需要传入具体的饮料，如需要传入没有被装饰的红茶或绿茶，
        // 当然也可以传入已经装饰好的芒果绿茶，这样可以做芒果柠檬绿茶
        public Lemon(Beverage bevarage) {
            this.bevarage = bevarage;
        }
        public String getDescription() {
            // 装饰
            return bevarage.getDescription() + ", 加柠檬";
        }
        public double cost() {
            // 装饰
            return beverage.cost() + 2; // 加柠檬需要 2 元
        }
    }
    
    public class Mango extends Condiment {
        private Beverage bevarage;
        public Mango(Beverage bevarage) {
            this.bevarage = bevarage;
        }
        public String getDescription() {
            return bevarage.getDescription() + ", 加芒果";
        }
        public double cost() {
            return beverage.cost() + 3; // 加芒果需要 3 元
        }
    }
    ...// 给每一种调料都加一个类

看客户端调用：

public static void main(String[] args) {
        // 首先，我们需要一个基础饮料，红茶、绿茶或咖啡
        Beverage beverage = new GreenTea();
        // 开始装饰
        beverage = new Lemon(beverage); // 先加一份柠檬
        beverage = new Mongo(beverage); // 再加一份芒果
    
        System.out.println(beverage.getDescription() + " 价格：￥" + beverage.cost());
        //"绿茶, 加柠檬, 加芒果 价格：￥16"
    }

如果我们需要芒果-珍珠-双份柠檬-红茶：

Beverage beverage = new Mongo(new Pearl(new **Lemon**(new **Lemon**(new BlackTea()))));

是不是很**变态**？

看看下图可能会清晰一些：

![图片][a81193de99186d7905f6d04b6141038d.png]

到这里，大家应该已经清楚装饰模式了吧。

下面，我们再来说说 Java **IO 中的装饰模式**。看下图 **InputStream** 派生出来的部分类：

![图片][82946da8259db45a69f5d1e45469b671.png]

我们知道 InputStream 代表了输入流，具体的输入来源可以是文件（**File**InputStream）、管道（**Piped**InputStream）、数组（**ByteArray**InputStream）等，这些就像前面奶茶的例子中的红茶、绿茶，属于基础输入流。

FilterInputStream 承接了装饰模式的**关键节点**，它的实现类是一系列装饰器，比如

BufferedInputStream 代表用**缓冲**来装饰，也就使得输入流具有了缓冲的功能，

LineNumberInputStream 代表用**行号**来装饰，在操作的时候就可以取得行号了，

DataInputStream 的装饰，使得我们可以从输入流**转换为 Java 中的基本类型值**。

当然，在 Java IO 中，如果我们使用装饰器的话，就**不太适合**面向接口编程了，如：

InputStream inputStream = new LineNumberInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("")));

这样的结果是，InputStream **还是不具有**读取行号的功能，因为读取行号的方法定义在 LineNumberInputStream 类中。

我们应该像下面这样使用：

DataInputStream is = new DataInputStream(  
new BufferedInputStream(new FileInputStream("")) );

所以说嘛，**要找到纯的严格符合设计模式的代码还是比较难的**。

###### **门面模式** ######

门面模式（也叫**外观模式**，**Facade** Pattern）在许多源码中有使用，比如 **SLF4J** 就可以理解为是门面模式的应用。这是一个简单的设计模式，我们直接上代码再说吧。

首先，我们定义一个接口：

public interface Shape \{  
void draw();  
\}

定义几个实现类：

public class Circle implements Shape {
        @Override
        public void draw() {
           System.out.println("Circle::draw()");
        }
    }
    
    public class Rectangle implements Shape {
        @Override
        public void draw() {
           System.out.println("Rectangle::draw()");
        }
    }

客户端调用：

public static void main(String[] args) {
        // 画一个圆形
          Shape circle = new Circle();
          circle.draw();
    
          // 画一个长方形
          Shape rectangle = new Rectangle();
          rectangle.draw();
    }

以上是我们常写的代码，我们需要画圆就要先实例化圆，画长方形就需要先实例化一个长方形，然后再调用相应的 draw() 方法。

下面，我们看看怎么用门面模式来让客户端**调用更加友好一些**。

我们先定义一个门面：

public class ShapeMaker {
       private Shape circle;
       private Shape rectangle;
       private Shape square;
    
       public ShapeMaker() {
          circle = new Circle();
          rectangle = new Rectangle();
          square = new Square();
       }
      /**
       * 下面定义一堆方法，具体应该调用什么方法，由这个门面来决定
       */
    
       public void drawCircle(){
          circle.draw();
       }
       public void drawRectangle(){
          rectangle.draw();
       }
       public void drawSquare(){
          square.draw();
       }
    }

看看现在客户端怎么调用：

public static void main(String[] args) {
      ShapeMaker shapeMaker = new ShapeMaker();
    
      // 客户端调用现在更加清晰了
      shapeMaker.drawCircle();
      shapeMaker.drawRectangle();
      shapeMaker.drawSquare();        
    }

门面模式的优点显而易见，客户端不再需要关注实例化时**应该使用哪个实现类（封装实现细节，对外提供方法）**，直接调用门面提供的**方法**就可以了，因为门面类提供的方法的方法名对于客户端来说已经很友好了。

###### **组合模式** ######

组合模式用于表示**具有层次结构的数据**，使得我们对**单个对象**和**组合对象**的访问**具有一致性**。

直接看一个例子吧，每个员工都有姓名、部门、薪水这些属性，同时还有**下属员工集合**（虽然可能集合为空），而下属员工和自己的结构是一样的，也有姓名、部门这些属性，同时也有他们的下属员工集合。

public class Employee {
       private String name;
       private String dept;
       private int salary;
       private List<Employee> subordinates; // 下属
    
       public Employee(String name,String dept, int sal) {
          this.name = name;
          this.dept = dept;
          this.salary = sal;
          subordinates = new ArrayList<Employee>();
       }
    
       public void add(Employee e) {
          subordinates.add(e);
       }
    
       public void remove(Employee e) {
          subordinates.remove(e);
       }
    
       public List<Employee> getSubordinates(){
         return subordinates;
       }
    
       public String toString(){
          return ("Employee :[ Name : " + name + ", dept : " + dept + ", salary :" + salary+" ]");
       }   
    }

通常，这种类需要定义 add(node)、remove(node)、getChildren() 这些方法。

这说的其实就是组合模式，这种简单的模式我就不做过多介绍了，相信各位读者也不喜欢看我写废话。

###### **享元模式** ######

英文是 **Flyweight** Pattern，不知道是谁最先翻译的这个词，感觉这翻译真的不好理解，我们试着强行关联起来吧。Flyweight 是**轻量级**的意思，享元分开来说就是 **共享 元器件**，也就是**复用已经生成的对象**，这种做法当然也就是轻量级的了。

复用对象最简单的方式是，用一个 **HashMap** 来存放每次新生成的对象。每次需要一个对象的时候，先到 HashMap 中看看有没有，如果没有，再生成新的对象，然后将这个对象放入 HashMap 中。

这种简单的代码我就不演示了。

###### **结构型模式总结** ######

前面，我们说了代理模式、适配器模式、桥梁模式、装饰模式、门面模式、组合模式和享元模式。读者是否可以分别把这几个模式说清楚了呢？在说到这些模式的时候，心中是否有一个清晰的图或处理流程在脑海里呢？

代理模式是做方法**增强**的

适配器模式是把**鸡包装成鸭**这种用来适配接口的

桥梁模式做到了很好的**解耦**

装饰模式从名字上就看得出来，适合于**装饰类**或者说是**增强类**的场景

门面模式的优点是客户端**不需要关心实例化过程**，只要调用需要的方法即可

组合模式用于描述具有**层次结构**的数据

享元模式是为了在特定的场景中**缓存已经创建的对象**，用于提高**性能**。

知识来源：

[图文详解 23 种设计模式][23]

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[23]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0OTE4MzYzMw==&mid=2247517079&idx=2&sn=6406008df0b99ee3d97bbceaa278f2f2&chksm=fbb10a69ccc6837fde5639b70b4c8ef4f0902f3b728dd4f9a4bded687cac5ff8998af17e0719&scene=27