02.07_学习Java的day24【设计模式】

day24【设计模式】

主要内容

• 设计模式的概念
• 面向对象开发原则
• 单例设计模式
• 模板设计模式
• 工厂设计模式
• 代理设计模式
• 迭代器设计模式
• 装饰者设计模式
• 观察者设计模式

教学目标

• 了解设计模式
• 了解面向对象的开发原则
• 掌握单例设计模式的多种编写方式
• 理解工厂设计模式
• 理解代理设计模式
• 理解迭代器设计模式
• 理解装饰者设计模式
• 理解观察者设计模式

第十七章 设计模式

17.1 设计模式概述

17.1.1 什么是设计模式

设计模式（Design Pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的代码设计经验的总结。

Scott Mayers 在其巨著《Effective C++》就曾经说过：C++老手和 C++新手的区别就是前者手背上有很多伤疤。即所谓的大神都是靠踩过很多坑，一路摸爬滚打成长起来的。

即设计模式是程序员在面对同类软件工程设计问题所总结出来的有用的经验，模式不是代码，而是某类问题的通用解决方案，设计模式代表了最佳的实践。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。

17.1.2 为什么要使用设计模式

编写软件过程中，程序员面临着来自：耦合性，内聚性以及可维护性，可扩展性，重用性，灵活性等多方面的挑战，设计模式是为了让程序(软件)，具有更好的：

• 代码重用性 (即：相同功能的代码，不用多次编写)

• 可读性 (即：编程规范性, 便于其他程序员的阅读和理解)

• 可扩展性 (即：当需要增加新的功能时，非常的方便，维护成本低，称为可维护)

• 可靠性 (即：当我们增加新的功能后，对原来的功能没有影响)

• 使程序呈现高内聚，低耦合的特性

当然，设计模式不局限于某种编程语言：C++，Java，Python，PHP等都可以使用设计模式，因为设计模式不是具体的代码，而是问题的解决方案。

一句话：
设计模式包含了面向对象的精髓，“懂了设计模式，你就懂了面向对象分析和设计（OOA/D）的精要”

17.1.3 设计模式为什么能这么厉害呢？

二十多年前（95年），软件设计领域的四位大师（GoF，“四人帮”，又称Gang of Four，即Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson & John Vlissides）通过论著《设计模式：可复用面向对象软件的基础》阐述了设计模式领域的开创性成果。在这本书中提出了23种设计模式，那么经过这么多年，为什么这些设计模式仍然被广泛使用呢？

因为所有设计模式都是遵循面向对象开发原则而设计的解决方案，能够帮助我们提高软件的维护性，通用性和扩展性，并降低软件的复杂度。

17.1.4 设计模式学习阶梯

设计模式和开发原则的学习是一条漫长的路程，也是一座不容易攀登的高峰，一般学习设计模式都有几个阶段：

• 第1层：刚开始学编程不久，听说过什么是设计模式
• 第2层：有很长时间的编程经验，自己写了很多代码，其中用到了设计模式，但是自己却不知道
• 第3层：学习过了设计模式，发现自己已经在使用了，并且发现了一些新的模式挺好用的
• 第4层：阅读了很多别人写的源码和框架，在其中看到别人设计模式，并且能够领会设计模式的精妙和带来的好处。
• 第5层：代码写着写着，自己都没有意识到使用了设计模式，并且熟练的写了出来。

这个和学习武功差不多。

17.2 面向对象开发原则

软件开发中最核心的思想就是“高内聚，低耦合”，主要的目的也是为了方便后期的维护和变更。下面的设计原则也是依靠这个核心思想衍生出来的。

• 开闭原则【Open Close Principle，缩写是OCP】
• 单一职责原则【Single Responsibility Principle，缩写是SRP】
• 里氏替换原则【Liskov Substitution Principle，缩写是LSP】
• 依赖倒置原则【Dependence Inversion Principle，缩写是DIP】
• 接口隔离原则【Interface Segregation Principle，缩写是ISP】
• 迪米特法则【Low of Demeter，缩写是LOD】
• 组合/聚合复用原则【Composition/Aggregation Reuse Principle(CARP) 】

17.2.1 开闭原则

开闭原则【Open Close Principle，缩写是OCP】：一个软件实体如模块、类、函数等应该对扩展开放，对修改关闭。开闭原则是Java世界里最基础的设计原则，它指导我们如何建立一个稳定的、灵活的系统，它是总纲。它由 Bertrand Meyer于 1988提出。

例如： 小明去医院看病，医生开了阿司匹林药花了20元， 第二天和朋友聚会聊起这事，小红说道：不对呀，前几天我在医院也拿了阿司匹林药，才 14 块钱呢。小花说：奇怪了，我买的是 16 块钱。小杰回应：怎么我买的是 18 块。怎么这药这么多个价格。小明 Google 搜了一下，发现价格跟社保有关，几个人便发现，原来他们都是“不同人”：小明没有社保，小红社保是一档，小花社保是二挡，小杰社保是三挡。 作为和 IT 工作相关的人，便讨论起医院系统具体实现是怎么实现的。

class Medicine {private String name;private double price;public Medicine(String name, double price) {this.name = name;this.price = price;}public String getName() {return name;}public double getPrice() {return price;}
}
interface IPatient{String getName();double pay(Medicine medicines);
}
class Patient implements IPatient{private String name;private int level;public Patient(String name) {this.name = name;}public Patient(String name, int level) {this.name = name;this.level = level;}@Overridepublic double pay(Medicine medicines) {if (level == 1) {return medicines.getPrice()*0.7;} else if (level == 2) {return medicines.getPrice()*0.8;} else if (level == 3) {return medicines.getPrice()*0.9;}return medicines.getPrice();}@Overridepublic String getName() {return name;}
}
class Hospital {private Medicine medicine = new Medicine("阿司匹林", 20.0);public void saleMedicine(IPatient patient) {double money = patient.pay(medicine);System.out.println(patient.getName() + " 花了 " + money + "块钱买了药：" + medicine.getName());}}
public class OcpTest {public static void main(String[] args) {Hospital hospital = new Hospital();IPatient xiaoMing = new Patient("小明");hospital.saleMedicine(xiaoMing);IPatient xiaoHong = new Patient("小红",1);hospital.saleMedicine(xiaoHong);}}

小明发话：你们说的方法都可以实现，但是总感觉不对劲，如果以后有社保四挡，还是要修改原来的代码 ？

class Medicine {private String name;private double price;public Medicine(String name, double price) {this.name = name;this.price = price;}public String getName() {return name;}public double getPrice() {return price;}
}
interface IPatient{String getName();double pay(Medicine medicines);
}
class Patient implements IPatient{private String name;public Patient(String name) {this.name = name;}@Overridepublic double pay(Medicine medicines) {return medicines.getPrice();}@Overridepublic String getName() {return name;}}
class OneLevelSocialSecurityPatient implements IPatient{private String name;public OneLevelSocialSecurityPatient(String name) {this.name = name;}@Overridepublic double pay(Medicine medicines) {return medicines.getPrice()*0.7;}@Overridepublic String getName() {return name;}}
class TwoLevelSocialSecurityPatient  implements IPatient{private String name;public TwoLevelSocialSecurityPatient (String name) {this.name = name;}@Overridepublic double pay(Medicine medicines) {return medicines.getPrice()*0.8;}@Overridepublic String getName() {return name;}}
class ThreeLevelSocialSecurityPatient   implements IPatient{private String name;public ThreeLevelSocialSecurityPatient  (String name) {this.name = name;}@Overridepublic double pay(Medicine medicines) {return medicines.getPrice()*0.9;}@Overridepublic String getName() {return name;}}
class Hospital {private Medicine medicine = new Medicine("阿司匹林", 20.0);public void saleMedicine(IPatient patient) {double money = patient.pay(medicine);System.out.println(patient.getName() + " 花了 " + money + "块钱买了药：" + medicine.getName());}}
public class OcpTest {public static void main(String[] args) {Hospital hospital = new Hospital();IPatient xiaoMing = new Patient("小明");hospital.saleMedicine(xiaoMing);IPatient xiaoHong = new OneLevelSocialSecurityPatient("小红");hospital.saleMedicine(xiaoHong);}}

如果新增四挡社保人员，只需要再额外扩展一个四挡社保人员就可以，不用动用其他代码。

17.2.2 单一职责原则

单一职责原则【Single Responsibility Principle，缩写是SRP】：单一职责原则想表达的核心思想就是“高内聚”，一个模块只完成一项功能。在面向对象设计中，一个类只应该负责一项职责，如果同时承担太多职责，就等于把这些职责耦合在了一起。后面很可能因为某项职责的变更而导致其他职责的变更、削弱或者抑制其他职责的能力。

类的单一职责的理解和实现，要从方法功能的单一职责开始。例如：

• Math.sqrt(x)只负责实现求x的平方根的功能；
• System.out.println(xx);只负责输出xx然后换行的功能；
• UserDAO中checkUsername(String username)只负责检查用户名是否存在的功能，而真正实现注册是用regist(User user)方法来完成

扩展到类，也要遵循单一职责原则，例如：

• UserDAO中只负责操作和管理用户信息，只访问用户表，不要惨杂进去其他图书、订单管理等职责
• 数组工具类中只负责提供操作数组的相关方法。之前有个同学问我，咱们有那么多工具类，反正都是工具，干嘛不统一放在一个类中。

甚至包的划分，也是这样，例如：

• java.sql包中，只提供和数据库操作相关的类；java.net包中，只提供和网络操作相关的类；…

一句话：职责明确，各司其职

17.2.3 里氏替换原则

里氏替换原则【Liskov Substitution Principle，缩写是LSP】：任何时候都可以用子类型来替换父类型。 这项原则最早是在1988年，由麻省理工学院一位姓里的女士（Liskov）提出来的。

里氏替换原则的核心原理是抽象，抽象又依赖于继承这个特性，在OOP当中，继承的优缺点都相当明显。

继承的优点：

• 代码重用：减少创建类的成本，每个子类都拥有父类的方法和属性
• 代码扩展：子类与父类基本相似，但又与父类有所区别

继承的缺点：

• 继承是侵入性的，只要继承就会继承父类的所有属性和方法，那么当父类需要修改时，必须考虑到所有的子类，因为父类修改后，所有涉及到子类的功能都有可能产生故障
• 可能造成子类代码冗余、灵活性降低，因为子类必须继承父类的所有属性和方法。
• 可能造成子类需要重写父类的方法，因为父类的方法实现可能不适用子类

面向对象的三个基本特征是封装、继承、多态，而里氏替换原则就是依赖于继承和多态这两大基本特性的。简单来说，就是引用父类的地方必须能够透明的使用其子类的对象。通俗点讲，只要父类能出现的地方子类就可以出现，而且替换为子类也不会产生任何错误或异常，使用者可能根本就不知道是父类还是子类。

在实际编程中，我们常常会通过重写父类的方法完成新的功能，这样写起来虽然简单，但整个继承体系的复用性会比较差，特别是运行多态比较频繁的时候。里氏替换原则告诉我们不能破坏继承体系结构。

例如：鸟类，燕子类，企鹅类的设计。在生物学上，燕子类，企鹅类都是鸟类的子类，但是在Java中如果这么设计就会有问题。

public class TestBird{public static void main(String[] args){look(new Swallow());look(new Penguin());//报错}public static void look(Bird b){b.walk();b.fly();}
}
class Bird{public void walk(){System.out.println("走");}public void fly(){System.out.println("飞");}
}
class Swallow extends Bird{//燕子//...
}
class Penguin extends Bird{//企鹅不会飞，所以选择重写fly()public void fly(){throw new RuntimeException("企鹅不会飞");}
}

因此，这就违反了里氏替换原则了，应该修改为：

public class TestBird{public static void main(String[] args){look(new Swallow());look(new Penguin());}public static void look(Animal b){b.walk();}public static void look(Bird b){b.walk();b.fly();}
}
class Animal{public void walk(){System.out.println("走");}
}
class Bird extends Animal{public void fly(){System.out.println("飞");}
}
class Swallow extends Bird{//燕子//...
}
class Penguin extends Animal{//企鹅//...
}

17.2.3 依赖倒置原则

依赖倒置原则【Dependence Inversion Principle，缩写是DIP】：我们在编程过程中，要求我们尽量面向抽象编程，声明方法的参数类型、方法的返回类型、变量的引用类型时，尽可能使用抽象类型（抽象类、接口）而不用具体类型，因为抽象类型可以被它的任何一个子类型所替代，请参考里氏替换原则。

17.2.4 接口隔离原则

接口隔离原则【Interface Segregation Principle，缩写是ISP】：建立单一接口，不要建立庞大臃肿的接口，尽量细化接口。

ISP的定义是：①客户端不应该依赖它不需要的接口；②类间的依赖关系应该建立在最小的接口上。

例如：

如果Inter接口有m1,m2,m3,m4四个抽象方法，而实现类B和D都实现了Inter接口。

interface Inter{void m1();void m2();void m3();void m4();
}
class B implements Inter{//...
}
class D implements Inter{//...
}

而现在A类通过依赖Inter接口，间接依赖了B类，但是只依赖其中的m1,m2,m3方法。C类通过依赖Inter接口，间接依赖了D类，但是只依赖其中的m2,m3,m4方法。

class A{//A类通过Inter接口，使用B类的方法m1,m2,m3public void test1(Inter i){i.m1();}public void test2(Inter i){i.m2();}public void test3(Inter i){i.m3();}
}
class C{//C类通过Inter接口，使用D类的方法m4,m2,m3public void test1(Inter i){i.m4();}public void test2(Inter i){i.m2();}public void test3(Inter i){i.m3();}
}

那么此时就违反了接口隔离原则。因为A类与B类，C类与D类的类间的依赖关系没有建立在最小的接口上。应该修改如下：

interface Inter1{void m1();
}
interface Inter2{void m2();void m3();
}
interface Inter3{void m4();
}
class B implements Inter1,Inter2{//...
}
class D implements Inter2,Inter3{//...
}
class A{//A类通过Inter接口，使用B类的方法m1,m2,m3public void test1(Inter1 i){i.m1();}public void test2(Inter2 i){i.m2();}public void test3(Inter2 i){i.m3();}
}
class C{//C类通过Inter接口，使用D类的方法m4,m2,m3public void test1(Inter3 i){i.m4();}public void test2(Inter2 i){i.m2();}public void test3(Inter2 i){i.m3();}
}

在Java核心类库中的接口都遵循接口隔离原则，例如：Runnable接口，Serializable接口，Comparable接口，Comparator接口，Cloneable接口等。

例如：Collection接口，再细分为List和Set接口。

17.2.5 迪米特法则

迪米特法则【Low of Demeter，缩写是LOD】：或者也称为最少知识原则（Least Knowledge Principle），即一个对象应当对其他对象有尽可能少的了解，目的是保证低耦合。这些原则于1987年秋天由lan holland在美国东北大学为一个叫做迪米特的项目设计提出的。

通俗的讲，一个类应该对自己需要耦合或调用的类知道的最少，类的内部如何实现与调用者或者依赖者没关系，调用者或者依赖者只需要知道它需要的方法即可，其他的可一概不用管。类与类之间的关系越密切，耦合度越大，当一个类发生改变时，对另一个类的影响也越大。

迪米特法则还有一个英文解释是Only talk to your immediate friends，翻译过来就是：只与直接的朋友通信。什么叫做直接的朋友呢？每个对象都必然会与其他对象有耦合关系，这种关系类型有很多，如组合、聚合、依赖等。

我要租房子，通过中介找房，我们只需要知道位置、房间面积、租金即可，其他一概不管，中介将符合我要求的房子提供给我就可以。

例如，我们遍历Collection集合时，只需要知道Iterator迭代器或foreach遍历即可，至于它底层是用哪个迭代器类实现的，是如何取出集合中的元素的，我们使用者一概不用知道。

迪米特法则要求要降低耦合，并不是说完全不要依赖

17.2.6 组合/聚合复用原则

组合/聚合复用原则【Composition/Aggregation Reuse Principle(CARP) 】：尽量使用组合和聚合，少使用继承的关系来达到复用的原则。类与类之间简单的说有三种关系，is-a关系、has-a关系、use-a关系，分别代表继承、关联和依赖。其中，关联关系根据其关联的强度又可以进一步划分为关联、聚合和组合。

例如：Java的类加载器就是使用组合关系来代替继承关系。

1、依赖关系（Dependency）

对象之间最弱的一种关联方式，是临时性的关联。代码中一般指由局部变量、函数参数、返回值建立的对于其他对象的依赖关系。

class A{public B method(C c,D d){E e = new E();...B b = new B();...return b;}
}

2、关联关系（Association）

对象之间一种引用关系（has-a关系），这种关系通常使用类的属性表达。

关联可以有方向，即导航。一般不作说明的时候，导航是双向的，不需要在线上标出箭头。大部分情况下导航是单向的，可以加一个箭头表示。

class Employee{private int eid;//员工编号private String name;//员工姓名private Computer coumputer;//员工所使用的电脑//....
}
class Computer{//...
}

class Husband{private Wife wife;
}
class Wife{private Husband husband;
}

关联表示类之间的“持久”关系，这种关系一般表示一种重要的业务之间的关系，需要保存的，或者说需要“持久化”的，或者说需要保存到数据库中的。另外，依赖表示类之间的是一种“临时、短暂”关系，这种关系是不需要保存的。

3、聚合关系（Aggregation）

聚合（关联关系的一种）：也是has-a的关系。与关联关系一样，聚合关系也是通过实例变量来实现这样关系的。关联关系和聚合关系来语法上是没办法区分的，从语义上才能更好的区分两者的区别。

如汽车类与引挚类，轮胎类之间的关系就是整体与个体的关系。

class Car{private Engine engine;//引擎private Tyre[] tyres;//轮胎
}

关联关系所涉及的两个对象是处在同一个层次上的。比如人和自行车就是一种关联关系，而不是聚合关系，因为人不是由自行车组成的。

聚合关系涉及的两个对象处于不平等的层次上，一个代表整体，一个代表部分。比如电脑和它的显示器、键盘、主板以及内存就是聚集关系，因为主板是电脑的组成部分。

4、组合关系（Composite）

对象A包含对象B，对象B离开对象A没有实际意义。是一种更强的关联关系。人包含手，手离开人的躯体就失去了它应有的作用。

组合：表示contains-a的关系，是一种强烈的包含关系。组合类负责被组合类的生命周期。也使用属性表达组合关系，是关联关系的一种，是比聚合关系强的关系。

class Window{private Menu menu;//菜单private Slider slider;//滑动条private Panel panel;//工作区
}

5、继承关系（Generalization）

类与类的继承关系，类与接口的实现关系。

17.3 23种设计模式

二十多年前（95年），软件设计领域的四位大师（GoF，“四人帮”，又称Gang of Four，即Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson & John Vlissides）通过论著《设计模式：可复用面向对象软件的基础》阐述了设计模式领域的开创性成果。在这本书中提出了23种设计模式。

根据模式是用来完成什么工作来划分，可分为创建型模式、结构型模、行为型模式。

1. 创建型模式：用于描述“怎样创建对象”，它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。GoF 中提供了单例、原型、工厂方法、抽象工厂、建造者等 5 种创建型模式。
2. 结构型模式：用于描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构，GoF 中提供了代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元、组合等 7 种结构型模式。
3. 行为型模式：用于描述类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象都无法单独完成的任务，以及怎样分配职责。GoF 中提供了模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录、解释器等 11 种行为型模式。

17.4 单例设计模式

所谓类的单例设计模式（Singleton Pattern），就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一种取得其对象实例的方式。

它的应用场景很多：

• Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式 。
• windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用。
• 操作系统的文件系统，也是典型的单例应用， 一个操作系统只能有一个文件系统。
• Web应用的配置对象，一般也应用单例模式，这个是由于配置文件是共享的资源。后面web容器，web开发的很多框架都有一个单例来读取它们的配置文件。
• 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式
• 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式，这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。
• 代表JVM运行环境的Runtime类。

单例设计模式的实现通常有饿汉式和懒汉式两种，但是不管哪种，单例模式有 3 个特点：

1. 单例类只有一个实例对象；
2. 该单例对象必须由单例类自行创建；
3. 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点；

17.4.1 饿汉式单例设计模式

所谓饿汉式，就是在类初始化时，直接创建对象。

优势：因为Java的类加载和初始化的机制可以保证线程安全，所以这类形式的单例设计模式不存在线程安全问题。

劣势：不管你暂时是否需要该实例对象，都会创建，使得类初始化时间加长。

public enum Singleton {INSTANCE
}

public class Singleton {public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();private Singleton(){}
}

public class Singleton3 {private static final Singleton3 INSTANCE = new Singleton3();private Singleton3(){}public static Singleton3 getInstance(){return INSTANCE;}
}

17.4.2 懒汉式单例设计模式

所谓懒汉式：即延迟创建对象，直到用户来获取这个对象时，再创建。

优势：不用不创建，用时再创建

劣势：需要考虑线程安全问题

public class Singleton5 {private static Singleton5 instance;private Singleton5(){}public static Singleton5 getInstance(){if(instance == null){synchronized (Singleton5.class) {if(instance == null){try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}instance = new Singleton5();}}}return instance;}
}

public class Singleton6 {private Singleton6(){}private static class Inner{private static final Singleton6 INSTANCE = new Singleton6();}public static Singleton6 getInstance(){return Inner.INSTANCE;}
}

当调用getInstance()方法，才会去加载和初始化Inner类，所以是懒汉式，因为是在类初始化时创建对象，而Java的类初始化机制一定是线程安全的。

17.5 工厂设计模式

工厂（Factory Pattern）模式解决的问题：把对象的创建者与对象的使用者分离，把对象的创建统一到一个地方（工厂）

在现实生活中社会分工越来越细，越来越专业化。各种产品有专门的工厂生产，彻底告别了自给自足的小农经济时代，这大大缩短了产品的生产周期，提高了生产效率。同样，在软件开发中能否做到软件对象的生产和使用相分离呢？

17.5.1 简单工厂模式

简单工厂模式，它不属于 GoF 的 23 种经典[设计模式]，它的缺点是增加新产品时会违背“开闭原则”

示例代码：

interface Car{void run();
}class BMW implements Car{@Overridepublic void run() {System.out.println("让你在宝马车里哭");}}
class Benz implements Car{@Overridepublic void run() {System.out.println("奔驰让你坐在引擎盖上哭");}
}class SimpleFactory{public static Car getCar(String type){switch(type){case "宝马":return new BMW();case "奔驰":return new Benz();}return null;}
}

如果有反射，简单工厂模式的工厂类可以优化如下代码，但是以下这种方式也有缺陷，就是无法个性化的初始化实例变量，只能使用无参构造创建对象而已，如果要个性化的初始化实例对象，仍然会违背“开闭原则”

class SimpleFactoryPlus{/** type：类型的全名称*/public static Car getCar(String type) throws Exception{//获取Car的实现类的Class对象Class clazz = Class.forName(type);//创建Car的实现类的实例对象Object obj = clazz.newInstance();//强转类并返回车的实例对象return (Car)obj;}
}

17.5.2 工厂方法模式

工厂方法模式是对简单工厂模式的进一步抽象化，其好处是可以使系统在不修改原来代码的情况下引进新的产品，即满足开闭原则。

工厂方法模式的主要优点有：

• 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品，无须知道产品的具体创建过程；
• 在系统增加新的产品时只需要添加具体产品类和对应的具体工厂类，无须对原工厂进行任何修改，满足开闭原则；

其缺点是：每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类，这增加了系统的复杂度。

示例代码：

interface Car{void run();
}class BMW implements Car{@Overridepublic void run() {System.out.println("让你在宝马车里哭");}}
class Benz implements Car{@Overridepublic void run() {System.out.println("奔驰让你坐在引擎盖上哭");}
}//工厂的公共接口
interface Factory{Car getCar();
}
class BMWFactory implements Factory{@Overridepublic BMW getCar() {return new BMW();}}
class BenzFactory implements Factory{@Overridepublic Benz getCar() {return new Benz();}}

17.6 代理模式

在有些情况下，一个客户不能或者不想直接访问另一个对象，这时需要找一个中介帮忙完成某项任务，这个中介就是代理对象。例如，购买火车票不一定要去火车站买，可以通过 12306 网站或者去火车票代售点买。又如找女朋友、找保姆、找工作等都可以通过找中介完成。

代理模式（Proxy Pattern）的定义：由于某些原因需要给某对象提供一个代理以控制对该对象的访问。这时，访问对象不适合或者不能直接引用目标对象，代理对象作为访问对象和目标对象之间的中介。

代理模式的三要素：

• 代理主题接口
• 代理者
• 被代理者

代理模式的主要优点有：

• 代理模式在客户端与目标对象之间起到一个中介作用和保护目标对象的作用；
• 代理对象可以扩展目标对象的功能；
• 代理模式能将客户端与目标对象分离，在一定程度上降低了系统的耦合度；

其主要缺点是：

• 在客户端和目标对象之间增加一个代理对象，会造成请求处理速度变慢；
• 增加了系统的复杂度；

代理模式有两种实现形式：

• 静态代理模式
• 动态代理模式

17.6.1 静态代理模式

静态代理类只能替一个主题接口进行代理工作。

如果主题接口不同，代理工作相同，也需要编写两个代理类。而且如果被代理者实现的代理主题的多个方法的代理工作一样的话，也会出现大量重复代理代码。

示例代码：

public class TestProxy {@Testpublic void test1(){TimeProxy tp = new TimeProxy(new GoodsDAO());tp.add();tp.select();}@Testpublic void test2(){TimeProxy tp = new TimeProxy(new UserDAO());tp.add();tp.select();}
}
//主题接口
interface DAO{void add();void select();
}
//被代理类
class GoodsDAO implements DAO{public void add(){System.out.println("商品的添加");}public void select(){System.out.println("商品的查询");}
}
class UserDAO implements DAO{public void add(){System.out.println("用户的添加");}public void select(){System.out.println("用户的查询");}
}
//代理类
class TimeProxy implements DAO{private DAO target;//target表示被代理者对象public TimeProxy(DAO target) {super();this.target = target;}@Overridepublic void add() {long start = System.currentTimeMillis();target.add();//核心业务逻辑交还给被代理者long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("时间差：" +(end-start));}@Overridepublic void select(){long start = System.currentTimeMillis();target.select();//核心业务逻辑交还给被代理者long end = System.currentTimeMillis();System.out.println("时间差：" +(end-start));}
}

要是此时还有一个主题接口

interface OtherInter{void method();
}
class OtherImpl implements OtherInter{public void method(){//...}
}

那么就算是要给这个OtherImpl类的method()的代理工作也是计算运行时间，也只能另行编写代理类了。

17.6.2 动态代理模式

静态代理类只能替一个主题接口进行代理工作。如果主题接口不同，代理工作相同，也需要编写两个代理类。

动态代理可以替不同的主题接口进行代理工作，只要他们的代理工作内容相同。

步骤：

（1）主题接口

（2）被代理类

（3）动态代理的代理工作处理器

要求必须实现：java.lang.reflect.InvocationHandler接口，重写

Object invoke(Object proxy, Method method,Object[] args)

（4）创建代理类对象

java.lang.reflect.Proxy类型的静态方法

newProxyInstance(ClassLoader loader, Class[] interfaces，InvocationHandler h )

（5）调用对用的方法

示例代码：

 /* 步骤：* 1、编写主题接口（和静态代理一样）* 2、编写被代理类（和静态代理一样）* 3、编写代理工作处理器：即代理类要替被代理类做什么事情* 要求：必须实现InvocationHandler，重写*   Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)*   第一个参数：代理类对象*   第二个参数：被代理类和代理类   要执行的方法*   第三个参数：要执行方法的实参列表*   *   这个invoke方法不是程序员调用，当代理类对象执行对应的代理方法时，自动调用的*   * 4、创建代理类及其对象*   需要：Proxy：提供用于创建动态代理类和实例的静态方法，它还是由这些方法创建的所有动态代理类的超类。*   *    static Object newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces, InvocationHandler h) *    第一个参数：被代理类的类加载器，我们希望被代理和代理类使用同一个类加载器*    第二个参数：被代理类实现的接口们*    第三个参数：代理工作处理器对象*    * 5、调用被代理的方法   */
public class TestProxy2 {@Testpublic void test2(){//被代理对象YongHuDAO sd = new YongHuDAO();ClassLoader loader = sd.getClass().getClassLoader();//被代理者的类加载器对象Class<?>[] interfaces = sd.getClass().getInterfaces();//被代理者实现的接口们TimeInvocationHandler h = new TimeInvocationHandler(sd);//代理工作处理器对象//创建代理类及其对象//proxy是代理类的对象，代理类是编译器自动编译生成的一个类Object proxy = Proxy.newProxyInstance(loader, interfaces, h);//这里强转的目的是为了调用增、删、改、查的方法//为什么这里强转可以成功了，因为代理类与被代理类实现了相同的主题接口DBDAO d = (DBDAO) proxy;d.add();d.update();d.delete();d.select();}@Testpublic void test1(){//被代理对象ShangPinDAO sd = new ShangPinDAO();ClassLoader loader = sd.getClass().getClassLoader();Class<?>[] interfaces = sd.getClass().getInterfaces();TimeInvocationHandler h = new TimeInvocationHandler(sd);//创建代理类及其对象//proxy是代理类的对象，代理类是编译器自动编译生成的一个类Object proxy = Proxy.newProxyInstance(loader, interfaces, h);//这里强转的目的是为了调用增、删、改、查的方法//为什么这里强转可以成功了，因为代理类与被代理类实现了相同的主题接口DBDAO d = (DBDAO) proxy;d.add();d.update();d.delete();d.select();}
}
//代理工作处理器
class TimeInvocationHandler implements InvocationHandler{private Object target;//被代理对象public TimeInvocationHandler(Object target) {super();this.target = target;}@Overridepublic Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {long start = System.currentTimeMillis();//被代理对象的xx方法被调用/** 没有反射：  被代理对象.xx方法(args实参列表)* 有了反射：  方法对象.invoke(被代理对象，args实参列表)*/Object returnValue = method.invoke(target, args);long end = System.currentTimeMillis();System.out.println(method.getName() + "方法运行时间：" + (end-start));return returnValue;}}//主题接口
interface DBDAO{void add();void update();void delete();void select();
}
//被代理类1
class ShangPinDAO implements DBDAO{public void add(){System.out.println("添加商品");}@Overridepublic void update() {System.out.println("修改商品");}@Overridepublic void delete() {System.out.println("删除商品");}@Overridepublic void select() {System.out.println("查询商品");}
}
//被代理类2
class YongHuDAO implements DBDAO{public void add(){System.out.println("添加用户");}@Overridepublic void update() {System.out.println("修改用户");}@Overridepublic void delete() {System.out.println("删除用户");}@Overridepublic void select() {System.out.println("查询用户");}
}

17.7 装饰者设计模式

在现实生活中，常常需要对现有产品增加新的功能或美化其外观，如房子装修、相片加相框等。在软件开发过程中，有时想用一些现存的组件。这些组件可能只是完成了一些核心功能。但在不改变其结构的情况下，可以动态地扩展其功能。所有这些都可以釆用装饰模式来实现。

装饰（Decorator）模式的定义：指在不改变现有对象结构的情况下，动态地给该对象增加一些职责（即增加其额外功能）的模式，它属于对象结构型模式。

装饰（Decorator）模式的主要优点有：

• 采用装饰模式扩展对象的功能比采用继承方式更加灵活。
• 可以设计出多个不同的具体装饰类，创造出多个不同行为的组合。

其主要缺点是：装饰模式增加了许多子类，如果过度使用会使程序变得很复杂。

通常情况下，扩展一个类的功能会使用继承方式来实现。但继承具有静态特征，耦合度高，并且随着扩展功能的增多，子类会很膨胀。如果使用组合关系来创建一个包装对象（即装饰对象）来包裹真实对象，并在保持真实对象的类结构不变的前提下，为其提供额外的功能，这就是装饰模式的目标。

装饰模式主要包含以下角色。

1. 抽象构件（Component）角色：定义一个抽象接口以规范准备接收附加责任的对象。
2. 具体构件（Concrete Component）角色：实现抽象构件，通过装饰角色为其添加一些职责。
3. 抽象装饰（Decorator）角色：继承抽象构件，并包含具体构件的实例，可以通过其子类扩展具体构件的功能。
4. 具体装饰（ConcreteDecorator）角色：实现抽象装饰的相关方法，并给具体构件对象添加附加的责任。

public class DecoratorPattern {public static void main(String[] args) {Component p = new ConcreteComponent();p.operation();System.out.println("---------------------------------");Component d = new ConcreteDecorator(p);d.operation();}
}//抽象构件角色
interface Component {public void operation();
}//具体构件角色
class ConcreteComponent implements Component {public void operation() {System.out.println("调用具体构件角色的方法operation()");}
}//抽象装饰角色
class Decorator implements Component {private Component component;public Decorator(Component component) {this.component = component;}public void operation() {component.operation();}
}//具体装饰角色
class ConcreteDecorator extends Decorator {public ConcreteDecorator(Component component) {super(component);}public void operation() {super.operation();addedFunction();}public void addedFunction() {System.out.println("为具体构件角色增加额外的功能addedFunction()");}
}

其实，JavaSE中的IO流的类体系结构就是使用了装饰者设计模式。

抽象构件角色：InputStream
具体构件角色：FileInputStream
抽象装饰角色：InputStream
具体装饰角色：BufferedInputStreamFileInputStream fis = new FileInputStream("文件路径名");
BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
BufferedInputStream在FileInputStream基础上增加了缓冲功能

抽象构件角色：InputStream
具体构件角色：FileInputStream
抽象装饰角色：InputStream
具体装饰角色：InputStreamReader抽象构件角色：InputStream
具体构件角色：InputStreamReader
抽象装饰角色：InputStream
具体装饰角色：BufferedReaderFileInputStream fis = new FileInputStream("文件路径名");
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(fis);
BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
InputStreamReader在FileInputStream的基础上增加解码功能
BufferedReader在InputStreamReader的基础上增加缓冲功能

17.8 模板设计模式

当解决某个问题，或者完成某个功能时，主体的算法结构（步骤）是确定的，只是其中的一个或者几个小的步骤不确定，或者某些步骤的实现和具体的环境有关，要有使用者来确定时，就可以使用模板设计模式。

例如，去银行办理业务一般要经过以下4个流程：取号、排队、办理具体业务、对银行工作人员进行评分等，其中取号、排队和对银行工作人员进行评分的业务对每个客户是一样的，可以在父类中实现，但是办理具体业务却因人而异，它可能是存款、取款或者转账等，可以延迟到子类中实现。

这样的例子在生活中还有很多，例如，简历模板、论文模板、Word 中模板文件等。

模板方法（Template Method）模式的定义如下：定义一个操作中的算法骨架，而将算法的一些步骤延迟到子类中，使得子类可以不改变该算法结构的情况下重定义该算法的某些特定步骤。它是一种类行为型模式。

该模式的主要优点如下：

1. 它封装了不变部分，扩展可变部分。它把认为是不变部分的算法封装到父类中实现，而把可变部分算法由子类继承实现，便于子类继续扩展。
2. 它在父类中提取了公共的部分代码，便于代码复用。
3. 部分方法是由子类实现的，因此子类可以通过扩展方式增加相应的功能，符合开闭原则。

该模式的主要缺点如下：

1. 对每个不同的实现都需要定义一个子类，这会导致类的个数增加，系统更加庞大，设计也更加抽象。
2. 父类中的抽象方法由子类实现，子类执行的结果会影响父类的结果，这导致一种反向的控制结构，它提高了代码阅读的难度。

模板方法模式需要注意抽象类与具体子类之间的协作。它用到了虚函数的多态性技术以及“不用调用我，让我来调用你”的反向控制技术。

模板方法模式包含以下主要角色：

(1) 抽象类（Abstract Class）：负责给出一个算法的轮廓和骨架。它由一个模板方法和若干个基本方法构成。这些方法的定义如下：

① 模板方法：定义了算法的骨架，按某种顺序调用其包含的基本方法。

② 基本方法：是整个算法中的一个步骤，包含以下几种类型。

• 抽象方法：在抽象类中申明，由具体子类实现。
• 具体方法：在抽象类中已经实现，在具体子类中可以继承或重写它。
• 钩子方法：在抽象类中已经实现，包括用于判断的逻辑方法和需要子类重写的空方法两种。

(2) 具体子类（Concrete Class）：实现抽象类中所定义的抽象方法和钩子方法，它们是一个顶级逻辑的一个组成步骤。

示例代码：计算任意一段代码的运行时间

//模板类
public abstract class CalTime{public long getTime(){//模板方法//1、获取开始时间long start =  System.currentTimeMills();//2、运行xx代码：这个是不确定的doWork();//3、获取结束时间long end =  System.currentTimeMills();//4、计算时间差return end - start;}protected abstract void doWork();//抽象方法
}

使用模板类：

public class MyCalTime extends CalTime{protected void doWork(){//....需要计算运行时间的代码}
}

测试类

public class Test{public static void main(String[] args){MyCalTime my = new MyCalTime();System.out.println("运行时间：" + my.getTime());}
}

在模板方法模式的父类中，我们可以定义一个方法，它默认不做任何事，子类可以视情况要不要覆盖它，该方法称为“钩子”。包含钩子方法的模板类：

abstract class AbstractComputer{protected void powerOn() {//具体方法System.out.println("开启电源");}protected void checkHardware() {//具体方法System.out.println("检查硬件");}protected void loadOS() {//具体方法System.out.println("加载操作系统");}protected abstract void login();//抽象方法public void virusScan() {}//钩子方法，普通电脑不需要扫描病毒，特殊电脑可以视情况是否重写public final void startUp() {//模板方法powerOn();checkHardware();loadOS();login();virusScan();}
}
//程序员电脑
class CoderComputer extends AbstractComputer{@Overrideprotected void login() {System.out.println("检查用户名和密码就可以了");}}
//军事系统电脑
class MilitaryComputer extends AbstractComputer{//重写具体方法@Overrideprotected void checkHardware() {super.checkHardware();System.out.println("检查硬件防火墙");}//重写抽象方法@Overrideprotected void login() {System.out.println("进行指纹识别等复杂用户验证");}//重写钩子方法@Overridepublic void virusScan() {System.out.println("扫描病毒，并处理病毒");}
}

17.9 迭代器设计模式

迭代器模式（Iterator Pattern），又称为游标（Cursor）模式，算是一个比较古老的设计模式，起源于对容器的访问，比如Java中的List，Set，Map，数组等。我们知道对容器对象的访问必然会涉及遍历算法，我们可以将遍历的方法直接封装到容器中，或者不提供遍历方法。

• 如果我们把遍历方法封装到容器中，那么不同的容器很难统一遍历方式；
• 如果在容器类中不提供遍历方法，让用户实现，那么就会暴露容器内部的数据和具体实现，这样不安全，也增加了客户的负担；

迭代器模式能较好地解决上面的问题，它在客户访问类与容器类之间插入一个迭代器，这分离了聚合对象与其遍历行为，对客户也隐藏了其内部细节，且满足“单一职责原则”和“开闭原则” 。

迭代器（Iterator）模式的定义：提供一个对象来顺序访问容器对象中的一系列数据，而不暴露容器对象的内部表示。迭代器模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下：

1. 访问一个容器对象的内容而无须暴露它的内部表示。
2. 封装性良好，为遍历不同的容器结构提供一个统一的接口
3. 提供了一种设计思想，就是一个类应该只有一个引起变化的原因（叫做单一责任原则）。在容器类中，我们把迭代器分开，就是要把管理对象和遍历对象的责任分开，这样一来管理对象改变的话，只影响到容器对象，而如果遍历方式改变的话，只影响到了迭代器。

其主要缺点是：增加了类的个数，这在一定程度上增加了系统的复杂性。

迭代器模式主要包含以下角色：

1. 抽象聚合（Aggregate）角色：定义存储、添加、删除聚合对象以及创建迭代器对象的接口。
2. 具体聚合（ConcreteAggregate）角色：实现抽象聚合类，返回一个具体迭代器的实例。
3. 抽象迭代器（Iterator）角色：定义访问和遍历聚合元素的接口，通常包含 hasNext()、next() 等方法。
4. 具体迭代器（Concretelterator）角色：实现抽象迭代器接口中所定义的方法，完成对聚合对象的遍历，记录遍历的当前位置。

例如：JavaSE中的集合。

• 抽象聚合：Collection接口
• 具体聚合：ArrayList等
• 抽象迭代器：Iterator接口
• 具体迭代器：ArrayList的内部类Itr等

17.10 观察者设计模式

在现实世界中，许多对象并不是独立存在的，其中一个对象的行为发生改变可能会导致一个或者多个其他对象的行为也发生改变。例如，某种商品的物价上涨时会导致部分商家高兴，而消费者伤心；还有，当我们开车到交叉路口时，遇到红灯会停，遇到绿灯会行。这样的例子还有很多，例如，股票价格与股民、微信公众号与微信用户、气象局的天气预报与听众、小偷与警察等。

在软件世界也是这样，例如，Excel 中的数据与折线图、饼状图、柱状图之间的关系；事件模型中的事件源与事件处理者。所有这些，如果用观察者模式来实现就非常方便。

观察者（Observer）模式的定义：指多个对象间存在一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。这种模式有时又称作发布-订阅模式、模型-视图模式，它是对象行为型模式。

观察者模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下：

1. 降低了目标与观察者之间的耦合关系，两者之间是抽象耦合关系。
2. 目标与观察者之间建立了一套触发机制。

它的主要缺点如下：

1. 目标与观察者之间的依赖关系并没有完全解除，而且有可能出现循环引用。
2. 当观察者对象很多时，通知的发布会花费很多时间，影响程序的效率。

实现观察者模式时要注意具体目标对象和具体观察者对象之间不能直接调用，否则将使两者之间紧密耦合起来，这违反了面向对象的设计原则。

观察者模式的主要角色如下 ：

1. 抽象主题（Subject）角色：也叫抽象目标类，它提供了一个用于保存观察者对象的聚集类和增加、删除观察者对象的方法，以及通知所有观察者的抽象方法。
2. 具体主题（Concrete Subject）角色：也叫具体目标类，它实现抽象目标中的通知方法，当具体主题的内部状态发生改变时，通知所有注册过的观察者对象。
3. 抽象观察者（Observer）角色：它是一个抽象类或接口，它包含了一个更新自己的抽象方法，当接到具体主题的更改通知时被调用。
4. 具体观察者（Concrete Observer）角色：实现抽象观察者中定义的抽象方法，以便在得到目标的更改通知时更新自身的状态。

示例代码： 利用观察者模式设计一个程序，分析“人民币汇率”的升值或贬值对进口公司的进口产品成本或出口公司的出口产品收入以及公司的利润率的影响。

分析：当“人民币汇率”升值时，进口公司的进口产品成本降低且利润率提升，出口公司的出口产品收入降低且利润率降低；当“人民币汇率”贬值时，进口公司的进口产品成本提升且利润率降低，出口公司的出口产品收入提升且利润率提升。

这里的汇率（Rate）类是抽象目标类，它包含了保存观察者（Company）的 List 和增加/删除观察者的方法，以及有关汇率改变的抽象方法 change(int number)；而人民币汇率（RMBrate）类是具体目标， 它实现了父类的 change(int number) 方法，即当人民币汇率发生改变时通过相关公司；公司（Company）类是抽象观察者，它定义了一个有关汇率反应的抽象方法 response(int number)；进口公司（ImportCompany）类和出口公司（ExportCompany）类是具体观察者类，它们实现了父类的 response(int number) 方法，即当它们接收到汇率发生改变的通知时作为相应的反应。

import java.util.*;public class RMBrateTest {public static void main(String[] args) {//创建被观察目标对象Rate rate = new RMBrate();//创建观察者对象Company watcher1 = new ImportCompany();Company watcher2 = new ExportCompany();//添加观察者rate.add(watcher1);rate.add(watcher2);//被观察目标发生变化rate.change(10);rate.change(-9);}
}//抽象目标：汇率
abstract class Rate {protected List<Company> companys = new ArrayList<Company>();// 增加观察者方法public void add(Company company) {companys.add(company);}// 删除观察者方法public void remove(Company company) {companys.remove(company);}//观察者要观察的方法public abstract void change(int number);
}//具体目标：人民币汇率
class RMBrate extends Rate {public void change(int number) {for (Company obs : companys) {obs.response(number);}}
}//抽象观察者：公司
interface Company {void response(int number);
}//具体观察者1：进口公司 
class ImportCompany implements Company {public void response(int number) {if (number > 0) {System.out.println("人民币汇率升值" + number + "个基点，降低了进口产品成本，提升了进口公司利润率。");} else if (number < 0) {System.out.println("人民币汇率贬值" + (-number) + "个基点，提升了进口产品成本，降低了进口公司利润率。");}}
}//具体观察者2：出口公司
class ExportCompany implements Company {public void response(int number) {if (number > 0) {System.out.println("人民币汇率升值" + number + "个基点，降低了出口产品收入，降低了出口公司的销售利润率。");} else if (number < 0) {System.out.println("人民币汇率贬值" + (-number) + "个基点，提升了出口产品收入，提升了出口公司的销售利润率。");}}
}

ic static void main(String[] args) {
//创建被观察目标对象
Rate rate = new RMBrate();
//创建观察者对象
Company watcher1 = new ImportCompany();
Company watcher2 = new ExportCompany();
//添加观察者
rate.add(watcher1);
rate.add(watcher2);
//被观察目标发生变化
rate.change(10);
rate.change(-9);
}
}

//抽象目标：汇率
abstract class Rate {
protected List companys = new ArrayList();

// 增加观察者方法
public void add(Company company) {companys.add(company);
}// 删除观察者方法
public void remove(Company company) {companys.remove(company);
}//观察者要观察的方法
public abstract void change(int number);

}

//具体目标：人民币汇率
class RMBrate extends Rate {
public void change(int number) {
for (Company obs : companys) {
obs.response(number);
}
}
}

//抽象观察者：公司
interface Company {
void response(int number);
}

//具体观察者1：进口公司
class ImportCompany implements Company {
public void response(int number) {
if (number > 0) {
System.out.println(“人民币汇率升值” + number + “个基点，降低了进口产品成本，提升了进口公司利润率。”);
} else if (number < 0) {
System.out.println(“人民币汇率贬值” + (-number) + “个基点，提升了进口产品成本，降低了进口公司利润率。”);
}
}
}

//具体观察者2：出口公司
class ExportCompany implements Company {
public void response(int number) {
if (number > 0) {
System.out.println(“人民币汇率升值” + number + “个基点，降低了出口产品收入，降低了出口公司的销售利润率。”);
} else if (number < 0) {
System.out.println(“人民币汇率贬值” + (-number) + “个基点，提升了出口产品收入，提升了出口公司的销售利润率。”);
}
}
}