设计模式

创建型设计模式

创建型模式主要解决对象的创建问题，封装复杂的创建过程，解耦对象的创建代码和使用代码。

单例模式

单例的定义

单例设计模式（Singleton Design Pattern）理解起来非常简单。一个类只允许创建一个对象（或者叫实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模式，简称单例模式。

单例的用处

从业务概念上，有些数据在系统中只应该保存一份，就比较适合设计为单例类。比如，系统的配置信息类。除此之外，我们还可以使用单例解决资源访问冲突的问题。

单例的实现

饿汉式

饿汉式的实现方式，在类加载的期间，就已经将 instance 静态实例初始化好了，所以，instance 实例的创建是线程安全的。不过，这样的实现方式不支持延迟加载实例。

public class IdGenerator { 
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0); 
    private static final IdGenerator instance = new IdGenerator(); 
    private IdGenerator() {} 
    public static IdGenerator getInstance() { 
        return instance; 
    } 
    public long getId() { 
        return id.incrementAndGet(); 
    }
}

懒汉式

懒汉式相对于饿汉式的优势是支持延迟加载。这种实现方式会导致频繁加锁、释放锁，以及并发度低等问题，频繁的调用会产生性能瓶颈。

public class IdGenerator { 
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0); 
    private static IdGenerator instance; 
    private IdGenerator() {} 
    public static synchronized IdGenerator getInstance() { 
        if (instance == null) { 
            instance = new IdGenerator(); 
        } 
        return instance; 
    } 
    public long getId() { 
        return id.incrementAndGet(); 
    }
}

双重检测

双重检测实现方式既支持延迟加载、又支持高并发的单例实现方式。只要 instance 被创建之后，再调用 getInstance() 函数都不会进入到加锁逻辑中。所以，这种实现方式解决了懒汉式并发度低的问题。

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(IdGenerator.class) { // 此处为类级别的锁
        if (instance == null) {
          instance = new IdGenerator();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

静态内部类

利用 Java 的静态内部类来实现单例。这种实现方式，既支持延迟加载，也支持高并发，实现起来也比双重检测简单。

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private IdGenerator() {}

  private static class SingletonHolder{
    private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
  }
  
  public static IdGenerator getInstance() {
    return SingletonHolder.instance;
  }
 
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

SingletonHolder 是一个静态内部类，当外部类 IdGenerator 被加载的时候，并不会创建 SingletonHolder 实例对象。只有当调用 getInstance() 方法时，SingletonHolder 才会被加载，这个时候才会创建 instance。instance 的唯一性、创建过程的线程安全性，都由 JVM 来保证。所以，这种实现方法既保证了线程安全，又能做到延迟加载。

枚举

最简单的实现方式，基于枚举类型的单例实现。这种实现方式通过 Java 枚举类型本身的特性，保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性。

public enum IdGenerator {
  INSTANCE;
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
 
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

单例存在哪些问题？

1. 单例对 OOP 特性的支持不友好
2. 单例会隐藏类之间的依赖关系
3. 单例对代码的扩展性不友好
4. 单例对代码的可测试性不友好
5. 单例不支持有参数的构造函数

单例有什么替代解决方案？

为了保证全局唯一，除了使用单例，我们还可以用静态方法来实现。不过，静态方法这种实现思路，并不能解决我们之前提到的问题。如果要完全解决这些问题，我们可能要从根上，寻找其他方式来实现全局唯一类了。比如，通过工厂模式、IOC 容器（比如 Spring IOC 容器）来保证，由程序员自己来保证（自己在编写代码的时候自己保证不要创建两个类对象）。

// 静态方法实现方式
public class IdGenerator {
  private static AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  
  public static long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}
// 使用举例
long id = IdGenerator.getId();

有人把单例当作反模式，主张杜绝在项目中使用。我个人觉得这有点极端。模式没有对错，关键看你怎么用。如果单例类并没有后续扩展的需求，并且不依赖外部系统，那设计成单例类就没有太大问题。对于一些全局的类，我们在其他地方 new 的话，还要在类之间传来传去，不如直接做成单例类，使用起来简洁方便。

如何理解单例模式的唯一性？

单例类中对象的唯一性的作用范围是“进程唯一”的。“进程唯一”指的是进程内唯一，进程间不唯一；“线程唯一”指的是线程内唯一，线程间可以不唯一。实际上，“进程唯一”就意味着线程内、线程间都唯一，这也是“进程唯一”和“线程唯一”的区别之处。“集群唯一”指的是进程内唯一、进程间也唯一。

如何实现线程唯一的单例？

我们通过一个 HashMap 来存储对象，其中 key 是线程 ID，value 是对象。这样我们就可以做到，不同的线程对应不同的对象，同一个线程只能对应一个对象。实际上，Java 语言本身提供了 ThreadLocal 并发工具类，可以更加轻松地实现线程唯一单例。

如何实现集群环境下的单例？

我们需要把这个单例对象序列化并存储到外部共享存储区（比如文件）。进程在使用这个单例对象的时候，需要先从外部共享存储区中将它读取到内存，并反序列化成对象，然后再使用，使用完成之后还需要再存储回外部共享存储区。为了保证任何时刻在进程间都只有一份对象存在，一个进程在获取到对象之后，需要对对象加锁，避免其他进程再将其获取。在进程使用完这个对象之后，需要显式地将对象从内存中删除，并且释放对对象的加锁。

如何实现一个多例模式？

“单例”指的是一个类只能创建一个对象。对应地，“多例”指的就是一个类可以创建多个对象，但是个数是有限制的，比如只能创建 3 个对象。多例的实现也比较简单，通过一个 Map 来存储对象类型和对象之间的对应关系，来控制对象的个数。

工厂模式

一般情况下，工厂模式分为三种更加细分的类型：简单工厂、工厂方法和抽象工厂。三种工厂模式中，简单工厂和工厂方法比较常用，抽象工厂的应用场景比较特殊，所以很少用到。

当创建逻辑比较复杂，是一个“大工程”的时候，我们就考虑使用工厂模式，封装对象的创建过程，将对象的创建和使用相分离。何为创建逻辑比较复杂呢？我总结了下面两种情况。

1. 第一种情况：类似规则配置解析的例子，代码中存在 if-else 分支判断，动态地根据不同的类型创建不同的对象。针对这种情况，我们就考虑使用工厂模式，将这一大坨 if-else 创建对象的代码抽离出来，放到工厂类中。
2. 还有一种情况，尽管我们不需要根据不同的类型创建不同的对象，但是，单个对象本身的创建过程比较复杂，比如前面提到的要组合其他类对象，做各种初始化操作。在这种情况下，我们也可以考虑使用工厂模式，将对象的创建过程封装到工厂类中。

对于第一种情况，当每个对象的创建逻辑都比较简单的时候，我推荐使用简单工厂模式，将多个对象的创建逻辑放到一个工厂类中。当每个对象的创建逻辑都比较复杂的时候，为了避免设计一个过于庞大的简单工厂类，我推荐使用工厂方法模式，将创建逻辑拆分得更细，每个对象的创建逻辑独立到各自的工厂类中。同理，对于第二种情况，因为单个对象本身的创建逻辑就比较复杂，所以，我建议使用工厂方法模式。

工厂方法就是将创建对象的工厂也创建成为一个工厂。

抽象工厂就是我们可以让一个工厂负责创建多个不同类型的对象（IRuleConfigParser、ISystemConfigParser 等），而不是只创建一种 parser 对象。这样就可以有效地减少工厂类的个数。

除了刚刚提到的这几种情况之外，如果创建对象的逻辑并不复杂，那我们就直接通过 new 来创建对象就可以了，不需要使用工厂模式。

现在，我们上升一个思维层面来看工厂模式，它的作用无外乎下面这四个。这也是判断要不要使用工厂模式的最本质的参考标准。

1. 封装变化：创建逻辑有可能变化，封装成工厂类之后，创建逻辑的变更对调用者透明。
2. 代码复用：创建代码抽离到独立的工厂类之后可以复用。
3. 隔离复杂性：封装复杂的创建逻辑，调用者无需了解如何创建对象。
4. 控制复杂度：将创建代码抽离出来，让原本的函数或类职责更单一，代码更简洁。

简单工厂示例

public class RuleConfigSource {
  public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
    String ruleConfigFileExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);
    IRuleConfigParser parser = RuleConfigParserFactory.createParser(ruleConfigFileExtension);
    if (parser == null) {
      throw new InvalidRuleConfigException(
              "Rule config file format is not supported: " + ruleConfigFilePath);
    }

    String configText = "";
    //从ruleConfigFilePath文件中读取配置文本到configText中
    RuleConfig ruleConfig = parser.parse(configText);
    return ruleConfig;
  }

  private String getFileExtension(String filePath) {
    //...解析文件名获取扩展名，比如rule.json，返回json
    return "json";
  }
}

public class RuleConfigParserFactory {
  public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
    IRuleConfigParser parser = null;
    if ("json".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new JsonRuleConfigParser();
    } else if ("xml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new XmlRuleConfigParser();
    } else if ("yaml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new YamlRuleConfigParser();
    } else if ("properties".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new PropertiesRuleConfigParser();
    }
    return parser;
  }
}

工厂方法示例

public interface IRuleConfigParserFactory {
  IRuleConfigParser createParser();
}

public class JsonRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new JsonRuleConfigParser();
  }
}

public class XmlRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new XmlRuleConfigParser();
  }
}

public class YamlRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new YamlRuleConfigParser();
  }
}

public class PropertiesRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new PropertiesRuleConfigParser();
  }
}

public class RuleConfigSource {
  public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
    String ruleConfigFileExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);

    IRuleConfigParserFactory parserFactory = null;
    if ("json".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parserFactory = new JsonRuleConfigParserFactory();
    } else if ("xml".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parserFactory = new XmlRuleConfigParserFactory();
    } else if ("yaml".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parserFactory = new YamlRuleConfigParserFactory();
    } else if ("properties".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parserFactory = new PropertiesRuleConfigParserFactory();
    } else {
      throw new InvalidRuleConfigException("Rule config file format is not supported: " + ruleConfigFilePath);
    }
    IRuleConfigParser parser = parserFactory.createParser();

    String configText = "";
    //从ruleConfigFilePath文件中读取配置文本到configText中
    RuleConfig ruleConfig = parser.parse(configText);
    return ruleConfig;
  }

  private String getFileExtension(String filePath) {
    //...解析文件名获取扩展名，比如rule.json，返回json
    return "json";
  }
}

抽象工厂示例

public interface IConfigParserFactory {
  IRuleConfigParser createRuleParser();
  ISystemConfigParser createSystemParser();
  //此处可以扩展新的parser类型，比如IBizConfigParser
}

public class JsonConfigParserFactory implements IConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createRuleParser() {
    return new JsonRuleConfigParser();
  }

  @Override
  public ISystemConfigParser createSystemParser() {
    return new JsonSystemConfigParser();
  }
}

public class XmlConfigParserFactory implements IConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createRuleParser() {
    return new XmlRuleConfigParser();
  }

  @Override
  public ISystemConfigParser createSystemParser() {
    return new XmlSystemConfigParser();
  }
}

// 省略YamlConfigParserFactory和PropertiesConfigParserFactory代码

工厂模式和 DI 容器有何区别？

DI 容器底层最基本的设计思路就是基于工厂模式的。DI 容器相当于一个大的工厂类，负责在程序启动的时候，根据配置（要创建哪些类对象，每个类对象的创建需要依赖哪些其他类对象）事先创建好对象。当应用程序需要使用某个类对象的时候，直接从容器中获取即可。正是因为它持有一堆对象，所以这个框架才被称为“容器”。

DI 容器相对于我们工厂模式的例子来说，它处理的是更大的对象创建工程。工厂模式中，一个工厂类只负责某个类对象或者某一组相关类对象（继承自同一抽象类或者接口的子类）的创建，而 DI 容器负责的是整个应用中所有类对象的创建。

除此之外，DI 容器负责的事情要比单纯的工厂模式要多。比如，它还包括配置的解析、对象生命周期的管理。

DI 容器的实现原理，其核心逻辑主要包括：配置文件解析，以及根据配置文件通过“反射”语法来创建对象。其中，创建对象的过程就应用到了我们在学的工厂模式。对象创建、组装、管理完全有 DI 容器来负责，跟具体业务代码解耦，让程序员聚焦在业务代码的开发上。

建造者模式

建造者模式的原理和实现比较简单，重点是掌握应用场景，避免过度使用。

如果一个类中有很多属性，为了避免构造函数的参数列表过长，影响代码的可读性和易用性，我们可以通过构造函数配合 set() 方法来解决。但是，如果存在下面情况中的任意一种，我们就要考虑使用建造者模式了。

1. 我们把类的必填属性放到构造函数中，强制创建对象的时候就设置。如果必填的属性有很多，把这些必填属性都放到构造函数中设置，那构造函数就又会出现参数列表很长的问题。如果我们把必填属性通过 set() 方法设置，那校验这些必填属性是否已经填写的逻辑就无处安放了。
2. 如果类的属性之间有一定的依赖关系或者约束条件，我们继续使用构造函数配合 set() 方法的设计思路，那这些依赖关系或约束条件的校验逻辑就无处安放了。
3. 如果我们希望创建不可变对象，也就是说，对象在创建好之后，就不能再修改内部的属性值，要实现这个功能，我们就不能在类中暴露 set() 方法。构造函数配合 set() 方法来设置属性值的方式就不适用了。

工厂模式和建造者模式的区别

工厂模式是用来创建不同但是相关类型的对象（继承同一父类或者接口的一组子类），由给定的参数来决定创建哪种类型的对象。建造者模式是用来创建一种类型的复杂对象，可以通过设置不同的可选参数，“定制化”地创建不同的对象。

建造者模式标准全面的示例

public class ResourcePoolConfig {
  private String name;
  private int maxTotal;
  private int maxIdle;
  private int minIdle;

  private ResourcePoolConfig(Builder builder) {
    this.name = builder.name;
    this.maxTotal = builder.maxTotal;
    this.maxIdle = builder.maxIdle;
    this.minIdle = builder.minIdle;
  }
  //...省略getter方法...

  //我们将Builder类设计成了ResourcePoolConfig的内部类。
  //我们也可以将Builder类设计成独立的非内部类ResourcePoolConfigBuilder。
  public static class Builder {
    private static final int DEFAULT_MAX_TOTAL = 8;
    private static final int DEFAULT_MAX_IDLE = 8;
    private static final int DEFAULT_MIN_IDLE = 0;

    private String name;
    private int maxTotal = DEFAULT_MAX_TOTAL;
    private int maxIdle = DEFAULT_MAX_IDLE;
    private int minIdle = DEFAULT_MIN_IDLE;

    public ResourcePoolConfig build() {
      // 校验逻辑放到这里来做，包括必填项校验、依赖关系校验、约束条件校验等
      if (StringUtils.isBlank(name)) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      if (maxIdle > maxTotal) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      if (minIdle > maxTotal || minIdle > maxIdle) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }

      return new ResourcePoolConfig(this);
    }

    public Builder setName(String name) {
      if (StringUtils.isBlank(name)) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.name = name;
      return this;
    }

    public Builder setMaxTotal(int maxTotal) {
      if (maxTotal <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.maxTotal = maxTotal;
      return this;
    }

    public Builder setMaxIdle(int maxIdle) {
      if (maxIdle < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.maxIdle = maxIdle;
      return this;
    }

    public Builder setMinIdle(int minIdle) {
      if (minIdle < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.minIdle = minIdle;
      return this;
    }
  }
}

// 这段代码会抛出IllegalArgumentException，因为minIdle>maxIdle
ResourcePoolConfig config = new ResourcePoolConfig.Builder()
        .setName("dbconnectionpool")
        .setMaxTotal(16)
        .setMaxIdle(10)
        .setMinIdle(12)
        .build();

原型模式

什么是原型模式？

如果对象的创建成本比较大，而同一个类的不同对象之间差别不大（大部分字段都相同），在这种情况下，我们可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式，来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。这种基于原型来创建对象的方式就叫作原型设计模式，简称原型模式。

原型模式的两种实现方法

原型模式有两种实现方法，深拷贝和浅拷贝。浅拷贝只会复制对象中基本数据类型数据和引用对象的内存地址，不会递归地复制引用对象，以及引用对象的引用对象……而深拷贝得到的是一份完完全全独立的对象。所以，深拷贝比起浅拷贝来说，更加耗时，更加耗内存空间。

如果要拷贝的对象是不可变对象，浅拷贝共享不可变对象是没问题的，但对于可变对象来说，浅拷贝得到的对象和原始对象会共享部分数据，就有可能出现数据被修改的风险，也就变得复杂多了。除非像我们今天实战中举的那个例子，需要从数据库中加载 10 万条数据并构建散列表索引，操作非常耗时，这种情况下比较推荐使用浅拷贝，否则，没有充分的理由，不要为了一点点的性能提升而使用浅拷贝。

最后更新： 2021年02月05日 17:49

原始链接： https://jjw-story.github.io/2021/02/05/Design-创建型/

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