结构型设计模式

结构型模式主要总结了一些类或对象组合在一起的经典结构，这些经典的结构可以解决特定应用场景的问题。结构型模式包括：代理模式、桥接模式、装饰器模式、适配器模式、门面模式、组合模式、享元模式。

代理模式

代理模式的原理与实现

在不改变原始类（或叫被代理类）的情况下，通过引入代理类来给原始类附加功能。一般情况下，我们让代理类和原始类实现同样的接口。但是，如果原始类并没有定义接口，并且原始类代码并不是我们开发维护的。在这种情况下，我们可以通过让代理类继承原始类的方法来实现代理模式。

动态代理的原理与实现

静态代理需要针对每个类都创建一个代理类，并且每个代理类中的代码都有点像模板式的“重复”代码，增加了维护成本和开发成本。对于静态代理存在的问题，我们可以通过动态代理来解决。我们不事先为每个原始类编写代理类，而是在运行的时候动态地创建原始类对应的代理类，然后在系统中用代理类替换掉原始类。

代理模式的应用场景

代理模式常用在业务系统中开发一些非功能性需求，比如：监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志。我们将这些附加功能与业务功能解耦，放到代理类统一处理，让程序员只需要关注业务方面的开发。除此之外，代理模式还可以用在 RPC、缓存等应用场景中。

动态代理示例

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public class MetricsCollectorProxy {
  private MetricsCollector metricsCollector;

  public MetricsCollectorProxy() {
    this.metricsCollector = new MetricsCollector();
  }

  public Object createProxy(Object proxiedObject) {
    Class<?>[] interfaces = proxiedObject.getClass().getInterfaces();
    DynamicProxyHandler handler = new DynamicProxyHandler(proxiedObject);
    return Proxy.newProxyInstance(proxiedObject.getClass().getClassLoader(), interfaces, handler);
  }

  private class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {
    private Object proxiedObject;

    public DynamicProxyHandler(Object proxiedObject) {
      this.proxiedObject = proxiedObject;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
      long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
      Object result = method.invoke(proxiedObject, args);
      long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
      long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
      String apiName = proxiedObject.getClass().getName() + ":" + method.getName();
      RequestInfo requestInfo = new RequestInfo(apiName, responseTime, startTimestamp);
      metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
      return result;
    }
  }
}

//MetricsCollectorProxy使用举例
MetricsCollectorProxy proxy = new MetricsCollectorProxy();
IUserController userController = (IUserController) proxy.createProxy(new UserController());

桥接模式

桥接模式，也叫作桥梁模式，英文是 Bridge Design Pattern。

对于这个模式有两种不同的理解方式。在 GoF 的《设计模式》一书中，桥接模式被定义为：“将抽象和实现解耦，让它们可以独立变化。”在其他资料和书籍中，还有另外一种更加简单的理解方式：“一个类存在两个（或多个）独立变化的维度，我们通过组合的方式，让这两个（或多个）维度可以独立进行扩展。”

个人理解：

举个很简单的例子，现在有两个纬度:

  1. Car 车 （奔驰、宝马、奥迪等）

  2. Transmission 档位类型 （自动挡、手动挡、手自一体等）

按照继承的设计模式，Car是一个Abstract基类，假设有M个车品牌，N个档位一共要写MN个类去描述所有车和档位的结合。
而当我们使用桥接模式的话，我首先new一个具体的Car（如奔驰），再new一个具体的Transmission（比如自动档），然后奔驰.set(手动档)就可以了。
那么这种模式只有M+N个类就可以描述所有类型，这就是MN的继承类爆炸简化成了M+N组合。

所以桥接模式解决的应该是继承爆炸问题。
可以看作是两个abstract组合在一起，独立去拓展，在运行之前将两个具体实现组合到一起。

装饰器模式

装饰器模式主要解决继承关系过于复杂的问题，通过组合来替代继承。它主要的作用是给原始类添加增强功能。这也是判断是否该用装饰器模式的一个重要的依据。除此之外，装饰器模式还有一个特点，那就是可以对原始类嵌套使用多个装饰器。为了满足这个应用场景，在设计的时候，装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或者接口。

装饰器模式的特点

第一个比较特殊的地方是：装饰器类和原始类继承同样的父类，这样我们可以对原始类“嵌套”多个装饰器类。

比如，下面这样一段代码，我们对 FileInputStream 嵌套了两个装饰器类：BufferedInputStream 和 DataInputStream，让它既支持缓存读取，又支持按照基本数据类型来读取数据。

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InputStream in = new FileInputStream("/user/admin/test.txt");
InputStream bin = new BufferedInputStream(in);
DataInputStream din = new DataInputStream(bin);
int data = din.readInt();

第二个比较特殊的地方是：装饰器类是对功能的增强，这也是装饰器模式应用场景的一个重要特点。装饰器是对原有功能的扩展，代理是增加并不相关的功能。

实际上，符合“组合关系”这种代码结构的设计模式有很多，比如之前讲过的代理模式、桥接模式，还有现在的装饰器模式。尽管它们的代码结构很相似，但是每种设计模式的意图是不同的。就拿比较相似的代理模式和装饰器模式来说吧，代理模式中，代理类附加的是跟原始类无关的功能，而在装饰器模式中，装饰器类附加的是跟原始类相关的增强功能。

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// 代理模式的代码结构(下面的接口也可以替换成抽象类)
public interface IA {
  void f();
}
public class A impelements IA {
  public void f() { //... }
}
public class AProxy impements IA {
  private IA a;
  public AProxy(IA a) {
    this.a = a;
  }
  
  public void f() {
    // 新添加的代理逻辑
    a.f();
    // 新添加的代理逻辑
  }
}

// 装饰器模式的代码结构(下面的接口也可以替换成抽象类)
public interface IA {
  void f();
}
public class A impelements IA {
  public void f() { //... }
}
public class ADecorator impements IA {
  private IA a;
  public ADecorator(IA a) {
    this.a = a;
  }
  
  public void f() {
    // 功能增强代码
    a.f();
    // 功能增强代码
  }
}

代理模式和装饰器模式对比的最优解释：

你是一个优秀的歌手，只会唱歌这一件事，不擅长找演唱机会，谈价钱，搭台，这些事情你可以找一个经纪人帮你搞定，经纪人帮你做好这些事情你就可以安稳的唱歌了，让经纪人做你不关心的事情这叫代理模式。
你老爱记错歌词，歌迷和媒体经常吐槽你没有认真对待演唱会，于是你想了一个办法，买个高端耳机，边唱边提醒你歌词，让你摆脱了忘歌词的诟病，高端耳机让你唱歌能力增强，提高了基础能力这叫装饰者模式。

适配器模式

适配器模式的英文翻译是 Adapter Design Pattern。顾名思义，这个模式就是用来做适配的，它将不兼容的接口转换为可兼容的接口，让原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。对于这个模式，有一个经常被拿来解释它的例子，就是 USB 转接头充当适配器，把两种不兼容的接口，通过转接变得可以一起工作。

适配器模式有两种实现方式：类适配器和对象适配器。其中，类适配器使用继承关系来实现，对象适配器使用组合关系来实现。具体的代码实现如下所示。其中，ITarget 表示要转化成的接口定义。Adaptee 是一组不兼容 ITarget 接口定义的接口，Adaptor 将 Adaptee 转化成一组符合 ITarget 接口定义的接口。

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// 类适配器: 基于继承
public interface ITarget {
  void f1();
  void f2();
  void fc();
}

public class Adaptee {
  public void fa() { //... }
  public void fb() { //... }
  public void fc() { //... }
}

public class Adaptor extends Adaptee implements ITarget {
  public void f1() {
    super.fa();
  }
  
  public void f2() {
    //...重新实现f2()...
  }
  
  // 这里fc()不需要实现，直接继承自Adaptee，这是跟对象适配器最大的不同点
}

// 对象适配器：基于组合
public interface ITarget {
  void f1();
  void f2();
  void fc();
}

public class Adaptee {
  public void fa() { //... }
  public void fb() { //... }
  public void fc() { //... }
}

public class Adaptor implements ITarget {
  private Adaptee adaptee;
  
  public Adaptor(Adaptee adaptee) {
    this.adaptee = adaptee;
  }
  
  public void f1() {
    adaptee.fa(); //委托给Adaptee
  }
  
  public void f2() {
    //...重新实现f2()...
  }
  
  public void fc() {
    adaptee.fc();
  }
}

针对这两种实现方式，在实际的开发中，到底该如何选择使用哪一种呢？判断的标准主要有两个，一个是 Adaptee 接口的个数，另一个是 Adaptee 和 ITarget 的契合程度。

  • 如果 Adaptee 接口并不多，那两种实现方式都可以。
  • 如果 Adaptee 接口很多，而且 Adaptee 和 ITarget 接口定义大部分都相同，那我们推荐使用类适配器，因为 Adaptor 复用父类 Adaptee 的接口，比起对象适配器的实现方式，Adaptor 的代码量要少一些。
  • 如果 Adaptee 接口很多，而且 Adaptee 和 ITarget 接口定义大部分都不相同，那我们推荐使用对象适配器，因为组合结构相对于继承更加灵活。

一般来说，适配器模式可以看作一种“补偿模式”，用来补救设计上的缺陷。应用这种模式算是“无奈之举”，如果在设计初期，我们就能协调规避接口不兼容的问题，那这种模式就没有应用的机会了。

那在实际的开发中，什么情况下才会出现接口不兼容呢？有下面这样 5 种场景：

  1. 封装有缺陷的接口设计
  2. 统一多个类的接口设计
  3. 替换依赖的外部系统
  4. 兼容老版本接口
  5. 适配不同格式的数据

代理、桥接、装饰器、适配器 4 种设计模式的区别

代理、桥接、装饰器、适配器，这 4 种模式是比较常用的结构型设计模式。它们的代码结构非常相似。笼统来说，它们都可以称为 Wrapper 模式，也就是通过 Wrapper 类二次封装原始类。

尽管代码结构相似，但这 4 种设计模式的用意完全不同，也就是说要解决的问题、应用场景不同，这也是它们的主要区别。这里我就简单说一下它们之间的区别。

  • 代理模式：代理模式在不改变原始类接口的条件下，为原始类定义一个代理类，主要目的是控制访问，而非加强功能，这是它跟装饰器模式最大的不同。
  • 桥接模式：桥接模式的目的是将接口部分和实现部分分离，从而让它们可以较为容易、也相对独立地加以改变。
  • 装饰器模式：装饰者模式在不改变原始类接口的情况下，对原始类功能进行增强，并且支持多个装饰器的嵌套使用。
  • 适配器模式：适配器模式是一种事后的补救策略。适配器提供跟原始类不同的接口，而代理模式、装饰器模式提供的都是跟原始类相同的接口。

门面模式（外观模式）

门面模式，也叫外观模式，英文全称是 Facade Design Pattern。门面模式为子系统提供一组统一的接口，定义一组高层接口让子系统更易用。

假设有一个系统 A，提供了 a、b、c、d 四个接口。系统 B 完成某个业务功能，需要调用 A 系统的 a、b、d 接口。利用门面模式，我们提供一个包裹 a、b、d 接口调用的门面接口 x，给系统 B 直接使用。

门面模式的应用场景：

  1. 解决易用性问题（门面模式可以用来封装系统的底层实现，隐藏系统的复杂性，提供一组更加简单易用、更高层的接口）
  2. 解决性能问题（我们通过将多个接口调用替换为一个门面接口调用，减少网络通信成本，提高 App 客户端的响应速度）
  3. 解决分布式事务问题

我们知道，类、模块、系统之间的“通信”，一般都是通过接口调用来完成的。接口设计的好坏，直接影响到类、模块、系统是否好用。所以，我们要多花点心思在接口设计上。我经常说，完成接口设计，就相当于完成了一半的开发任务。只要接口设计得好，那代码就差不到哪里去。

接口粒度设计得太大，太小都不好。太大会导致接口不可复用，太小会导致接口不易用。在实际的开发中，接口的可复用性和易用性需要“微妙”的权衡。针对这个问题，我的一个基本的处理原则是，尽量保持接口的可复用性，但针对特殊情况，允许提供冗余的门面接口，来提供更易用的接口。

适配器模式和门面模式对比

共同点：将不好用的接口适配成好用的接口。

区别：（a）适配器主要是为了解决接口不兼容的问题，而门面模式主要用于设计接口的易用性问题。（b）适配器在代码结构上主要是继承加组合，门面模式在代码结构上主要是封装。（c）适配器可以看作是事后行为，是一种“补偿模式”，主要是用来完善设计上的不足，而门面模式是在设计接口时就需要考虑的，是一种事前行为。

组合模式

组合模式跟面向对象设计中的“组合关系（通过组合来组装两个类）”，完全是两码事。这里讲的“组合模式”，主要是用来处理树形结构数据。这里的“数据”，可以简单理解为一组对象集合，正因为其应用场景的特殊性，数据必须能表示成树形结构，这也导致了这种模式在实际的项目开发中并不那么常用。但是，一旦数据满足树形结构，应用这种模式就能发挥很大的作用，能让代码变得非常简洁。

组合模式：将一组对象组织（Compose）成树形结构，以表示一种“部分 - 整体”的层次结构。组合让客户端（在很多设计模式书籍中，“客户端”代指代码的使用者。）可以统一单个对象和组合对象的处理逻辑。

组合模式的设计思路，与其说是一种设计模式，倒不如说是对业务场景的一种数据结构和算法的抽象。其中，数据可以表示成树这种数据结构，业务需求可以通过在树上的递归遍历算法来实现。

组合模式，将一组对象组织成树形结构，将单个对象和组合对象都看做树中的节点，以统一处理逻辑，并且它利用树形结构的特点，递归地处理每个子树，依次简化代码实现。使用组合模式的前提在于，你的业务场景必须能够表示成树形结构。所以，组合模式的应用场景也比较局限，它并不是一种很常用的设计模式。

享元模式

享元模式的原理

所谓“享元”，顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象。

具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象的时候，如果这些重复的对象是不可变对象，我们就可以利用享元模式将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用。这样可以减少内存中对象的数量，起到节省内存的目的。实际上，不仅仅相同对象可以设计成享元，对于相似对象，我们也可以将这些对象中相同的部分（字段）提取出来，设计成享元，让这些大量相似对象引用这些享元。

定义中的“不可变对象”指的是，一旦通过构造函数初始化完成之后，它的状态（对象的成员变量或者属性）就不会再被修改了。所以，不可变对象不能暴露任何 set() 等修改内部状态的方法。之所以要求享元是不可变对象，那是因为它会被多处代码共享使用，避免一处代码对享元进行了修改，影响到其他使用它的代码。

享元模式的实现

享元模式的代码实现非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个 Map 或者 List 来缓存已经创建好的享元对象，以达到复用的目的。

享元模式 vs 单例、缓存、对象池

区别两种设计模式，不能光看代码实现，而是要看设计意图，也就是要解决的问题。这里的区别也不例外。我们可以用简单几句话来概括一下它们之间的区别。

应用单例模式是为了保证对象全局唯一。应用享元模式是为了实现对象复用，节省内存。缓存是为了提高访问效率，而非复用。池化技术中的“复用”理解为“重复使用”，主要是为了节省时间。

享元模式在 Java Integer 中的应用

如下代码：

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Integer i1 = 56;
Integer i2 = 56;
Integer i3 = 129;
Integer i4 = 129;
System.out.println(i1 == i2);  // true
System.out.println(i3 == i4);  // false

首先要理解自动装箱和自动拆箱的概念：

自动装箱，就是自动将基本数据类型转换为包装器类型。所谓的自动拆箱，也就是自动将包装器类型转化为基本数据类型。具体代码如下：

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Integer i = 56; //自动装箱 - 底层执行了：Integer i = Integer.valueOf(59);
int j = i; //自动拆箱 - 底层执行了：int j = i.intValue();

当我们通过自动装箱，也就是调用 valueOf() 来创建 Integer 对象的时候，如果要创建的 Integer 对象的值在 -128 到 127 之间，会从 IntegerCache 类中直接返回，否则才调用 new 方法创建。这里的 IntegerCache 相当于享元对象的工厂类，只不过名字不叫 xxxFactory 而已。我们来看它的具体代码实现。这个类是 Integer 的内部类，你也可以自行查看 JDK 源码。

在 Java Integer 的实现中，-128 到 127 之间的整型对象会被事先创建好，缓存在 IntegerCache 类中。当我们使用自动装箱或者 valueOf() 来创建这个数值区间的整型对象时，会复用 IntegerCache 类事先创建好的对象。这里的 IntegerCache 类就是享元工厂类，事先创建好的整型对象就是享元对象。

实际上，除了 Integer 类型之外，其他包装器类型，比如 Long、Short、Byte 等，也都利用了享元模式来缓存 -128 到 127 之间的数据。

再看如下代码：

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String s1 = "小争哥";
String s2 = "小争哥";
String s3 = new String("小争哥");
System.out.println(s1 == s2);  // true
System.out.println(s1 == s3);  // false

在 Java String 类的实现中，JVM 开辟一块存储区专门存储字符串常量，这块存储区叫作字符串常量池，类似于 Integer 中的 IntegerCache。不过，跟 IntegerCache 不同的是，它并非事先创建好需要共享的对象，而是在程序的运行期间，根据需要来创建和缓存字符串常量。

实际上，享元模式对 JVM 的垃圾回收并不友好。因为享元工厂类一直保存了对享元对象的引用，这就导致享元对象在没有任何代码使用的情况下，也并不会被 JVM 垃圾回收机制自动回收掉。因此，在某些情况下，如果对象的生命周期很短，也不会被密集使用，利用享元模式反倒可能会浪费更多的内存。所以，除非经过线上验证，利用享元模式真的可以大大节省内存，否则，就不要过度使用这个模式，为了一点点内存的节省而引入一个复杂的设计模式，得不偿失。

最后更新： 2021年02月05日 18:00

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

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