引言
设计模式是一种在特定上下文中反复出现的可重用解决方案，用于处理软件设计中常见的问题。掌握设计模式不仅可以帮助我们编写出更优雅、更易于理解和维护的代码，而且也是Java面试中的常考知识点。在本文中，我们将探讨几种常见的设计模式，包括它们的定义、使用场景和Java实现。
一、单例模式
单例模式确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。这种设计模式属于创建型模式，它涉及一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
应用场景：需要频繁实例化然后销毁的对象，数据库连接、线程池等长时间存在于系统中的对象。
示例代码：
public class Singleton {
// 使用volatile关键字防止指令重排序
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {}
// 提供全局访问点
public static Singleton getInstance() {
// 第一次检查
if (instance == null) {
// 加锁
synchronized (Singleton.class) {
// 第二次检查
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
我们创建了一个 Singleton 类。Singleton 类有一个 getInstance() 方法，它可以返回 Singleton 类的一个实例。在这个类中，我们有一个私有构造函数，它可以防止其他类实例化这个类。而 getInstance() 方法可以为其他类提供了一种方式来获取这个类的单一实例。
二、工厂模式
工厂模式是一种创建型设计模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。在工厂模式中，我们在创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑，并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象。
应用场景：在编码时不能预见需要创建哪种类的实例，系统需要提供一个接口，让系统与其各种具体实现类之间解耦。
示例代码：
public interface Shape {
void draw();
}
public class Rectangle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
}
}
public class ShapeFactory {
// 使用getShape方法获取形状类型的对象
public Shape getShape(String shapeType) {
if (shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")) {
return new Rectangle();
}
// other shape types...
return null;
}
}
我们首先创建了一个接口 Shape 和实现了 Shape 接口的实体类。然后我们创建了一个工厂类 ShapeFactory。ShapeFactory 类有一个方法 getShape ，根据输入的类型，返回一个实体类的实例。在这个例子中，我们的工厂类 ShapeFactory 是如何根据我们提供的信息来返回不同类的实例的。
三、抽象工厂模式
抽象工厂模式是一种创建型设计模式，它提供了一种方式，可以将一组具有同一主题的单独的工厂封装起来。在抽象工厂模式中，抽象工厂定义了产品是什么，为创建一系列相关或相互依赖的对象提供一个接口，而无需指定它们具体的类。
应用场景：系统的产品有多于一个的产品族，而系统只消费其中某一族的产品。
示例代码：
public interface GUIFactory {
Button createButton();
Checkbox createCheckbox();
}
public class WinFactory implements GUIFactory {
// 返回WinButton类的实例
public Button createButton() {
return new WinButton();
}
// 返回WinCheckbox类的实例
public Checkbox createCheckbox() {
return new WinCheckbox();
}
}
和工厂模式类似，但是这次我们添加了一个新的层次——工厂创造器/生成器类 FactoryProducer。AbstractFactory 类是所有工厂类的超类，FactoryProducer 可以根据传入的信息返回一个特定的工厂。
四、建造者模式
建造者模式是一种创建型设计模式，它可以将一个复杂对象的建造过程抽象出来(抽象为指挥者和建造者)，使这个抽象过程的不同实现方法可以构造出不同表现（属性）的复杂对象。具体来说，将一个复杂的构建与其表示相分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
应用场景：需要生成的产品对象有复杂的内部结构，这些产品对象通常包含多个部分。
示例代码：
public class Pizza {
private String dough = "";
private String sauce = "";
private String topping = "";
// setters...
}
public class PizzaBuilder {
private Pizza pizza;
public PizzaBuilder() {
pizza = new Pizza();
}
public PizzaBuilder setDough(String dough) {
pizza.setDough(dough);
return this;
}
public PizzaBuilder setSauce(String sauce) {
pizza.setSauce(sauce);
return this;
}
public PizzaBuilder setTopping(String topping) {
pizza.setTopping(topping);
return this;
}
// 最终构建复杂的Pizza对象并返回
public Pizza build() {
return pizza;
}
}
Packing 和 Item 接口表示食物和食物包装。然后我们有了实体类实现了这些接口，Burger 和 ColdDrink 实现了 Item 接口，Wrapper 和 Bottle 实现了 Packing 接口。Meal 类是一个组合类，包含了 Item 对象。MealBuilder 是实际的构建器，负责创建 Meal 对象。
五、原型模式
原型模式是创建型设计模式，通过复制一个已存在的实例来返回新的实例,而不是新建实例。被复制的实例就是我们所称的“原型”，这个原型是可定制的。
应用场景：创建对象成本较大(如初始化需要消耗很多时间，占用太多CPU资源或网络资源)，新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得，如果是相似对象，则可以对其成员变量稍作修改。
示例代码：
public class Prototype implements Cloneable {
// 使用 clone() 方法来创建新的实例
public Prototype clone() {
try {
return
(Prototype) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
}
在原型模式中，我们通过复制一个已存在的对象来创建新的对象。我们创建了一个抽象类 Shape 和几个扩展了 Shape 类的实体类。ShapeCache 类是一个缓存类，将shape对象存储在一个 Hashtable 中，并在请求的时候返回它们的克隆。
六、适配器模式
适配器模式是一种结构型设计模式，它通过把一个类的接口变换成客户端所期待的另一种接口，可以帮助我们解决不兼容的问题。这个模式主要应用于希望复用那些与新系统不兼容的旧组件的场景，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以在一起工作。
应用场景：已经存在的类，它的方法和我们的需求不一样，也就是接口不相同，或者我们创建了一个可复用的类，该类可能和现有的类库不是很兼容，需要在双方都不易修改的情况下使用适配器模式。
示例代码：
// 目标接口，或称为标准接口
public interface MediaPlayer {
void play(String audioType, String fileName);
}
// 适配器类，实现MediaPlayer接口
public class MediaAdapter implements MediaPlayer {
// 适配器中包含了一个需要适配的对象
AdvancedMediaPlayer advancedMusicPlayer;
public MediaAdapter(String audioType) {
if (audioType.equalsIgnoreCase("vlc")) {
advancedMusicPlayer = new VlcPlayer();
} else if (audioType.equalsIgnoreCase("mp4")) {
advancedMusicPlayer = new Mp4Player();
}
}
// 调用适配器中的方法
public void play(String audioType, String fileName) {
if (audioType.equalsIgnoreCase("vlc")) {
advancedMusicPlayer.playVlc(fileName);
} else if (audioType.equalsIgnoreCase("mp4")) {
advancedMusicPlayer.playMp4(fileName);
}
}
}
我们有一个 MediaPlayer 接口和一个实现了 MediaPlayer 接口的实体类。然后我们创建了另一个接口 AdvancedMediaPlayer 和实现了 AdvancedMediaPlayer 接口的实体类。然后我们创建了一个适配器类 MediaAdapter，它使用 AdvancedMediaPlayer 对象来播放所需要的格式。
七、装饰器模式
装饰器模式是一种结构型设计模式，它允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。这种类型的设计模式属于结构型模式，它在不需要使用继承的情况下为对象动态添加新的功能。
应用场景：在不想增加很多子类的情况下扩展类，需要动态增加及撤销对象的功能。
示例代码：
// 定义接口Shape
public interface Shape {
void draw();
}
// 定义装饰器DecoratorShape
public class DecoratorShape implements Shape {
protected Shape decoratedShape;
public DecoratorShape(Shape decoratedShape) {
this.decoratedShape = decoratedShape;
}
// 在装饰器中调用原始对象的方法，并添加新的功能
public void draw() {
decoratedShape.draw();
System.out.println("Additional decoration function.");
}
}
我们有一个 Shape 接口和实现了 Shape 接口的实体类。然后我们创建了一个抽象的装饰器类 ShapeDecorator，并扩展了 Shape 接口，此装饰器类在被装饰类上进行了一层包装，以增加新的功能。
八、观察者模式
观察者模式是一种行为型设计模式，定义对象间的一种一对多的依赖关系，使得当一个对象的状态发生改变时，其相关依赖对象皆会得到通知并被自动更新。观察者模式属于行为型模式。
应用场景：当一个对象的改变需要同时改变其他对象，并且它不知道具体有多少对象需要改变，就可以考虑使用观察者模式。
示例代码：
// 定义Subject，持有观察者的列表，并提供attach和notifyAllObservers方法
public class Subject {
private List<Observer> observers = new ArrayList<Observer>();
public void attach(Observer observer) {
observers.add(observer);
}
public void notifyAllObservers() {
for (Observer observer : observers) {
observer.update();
}
}
}
// 定义Observer，声明更新自己的抽象方法
public abstract class Observer {
protected Subject subject;
public abstract void update();
}
我们创建了 Subject 类、Observer 抽象类和扩展了 Observer 类的实体类。Subject 对象改变状态时，所有依赖于它的对象都会得到通知，并自动更新。
九、策略模式
策略模式是一种行为型设计模式，它定义了一系列的算法，并将每一个算法封装起来，而且使它们可以相互替换。策略模式让算法独立于使用它的客户而独立变化。
应用场景：一个系统有很多类的算法或者业务逻辑，可以把这些算法或者业务逻辑封装在同一个接口的不同的实现类中，减少使用多重转移语句（if…else if…else）。
示例代码：
// 定义策略接口，声明算法方法
public interface Strategy {
public int doOperation(int num1, int num2);
}
// 定义具体策略类
public class OperationAdd implements Strategy {
public int doOperation(int num1, int num2) {
return num1 + num2;
}
}
// 环境类，持有一个策略类的引用
public class StrategyContext {
private Strategy strategy;
public StrategyContext(Strategy strategy) {
this.strategy = strategy;
}
// 使用策略的方法
public int executeStrategy(int num1, int num2) {
return strategy.doOperation(num1, num2);
}
}
我们定义了一个策略接口 Strategy 和实现了 Strategy 接口的实体策略类。Context 是一个使用了某种策略的类。Context 对象使用了一些策略对象，这个策略对象改变了 Context 对象的执行算法。
十、命令模式
命令模式是一种行为型设计模式，它通过在对象之间引入级别，使得对象之间的依赖关系变得更加简单，并且降低了组合和调用的复杂性。这种模式涉及到五个组件：Client、Invoker、Command、ConcreteCommand、Receiver。
应用场景：当需要为请求调用者与请求接收者解耦时，命令模式使得调用者与接收者不直接交互，并且调用者无需知道接收者的接口。命令模式可以用于有多个触发者或接收者，需要向多个对象发出请求。
示例代码：
// 命令接口，声明执行方法
public interface Order {
void execute();
}
// 具体命令类，实现Order接口的execute方法，调用接收者的方法
public class StockRequest implements Order {
private Stock stock;
public StockRequest(Stock stock) {
this.stock = stock;
}
public void execute() {
stock.buy();
}
}
// 调用者类，接收命令并执行
public class Broker {
private List<Order> orderList = new ArrayList<Order>();
public void takeOrder(Order order) {
orderList.add(order);
}
public void placeOrders() {
for (Order order : orderList) {
order.execute();
}
orderList.clear();
}
}
我们创建了一个请求类 Stock，一个命令接口 Order 和实现了 Order 接口的实体命令类。命令实现类持有一个对请求的引用，并执行这个请求。Broker 对象使用命令对象和队列来执行请求。
结语
在这篇博客中，我们研究了10种常用的Java设计模式，希望这些知识能帮助你在日常开发或面试中更好地解决问题。记住，设计模式只是工具。在实际项目中，我们应该根据项目需求和具体情况选择合适的设计模式，而不是强行套用。
