设计模式笔记

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设计模式有不少书籍、笔记和文档，抽象的、形式化的逻辑关系就不再赘述。本文主要记录学习过程中的感性理解，记录具象的案例、自己通俗理解的原理和适用情况。

设计模式笔记

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CS-Notes 设计模式

CYC2018的笔记，讲的言简意赅，配合Java代码的示例，可读性好，容易快速看懂，还列举了这些设计模式在JDK中的应用。

图说设计模式

图说设计模式文档列举的设计模式少一些，但每个设计模式写的都更为详细，配合UML关系图、时序图、C++代码实例以及优缺点评述，可以更深地理解。

设计模式|菜鸟教程

菜鸟教程网站的设计模式，配备图示、示例代码，主要是介绍部分对核心思想、优缺点列举的很清晰。

1 创建型模式（Creational Pattern）

顾名思义，创建型模式就是创建实例。

1.1 单例（Singleton）

理解：

  • 确保一个类只有一个实例。

案例：

  • 驱动程序提供的服务，如：打印机驱动程序提供的打印服务。

原理：

  • 通过类的静态方法和静态变量，调用getSingleton方法时返回唯一的实例（若未初始化，则先初始化创建）。

适用：

  • 面向全局提供单例的、不希望重复创建实例的情况。

1.2 简单工厂（Simple Factory）

理解：

  • 一个工厂根据订单要求来实例化相应的产品。

案例：

  • 客户给食品工厂下达订单，订单要求饼干，工厂就调用饼干实例化方法生产饼干；订单要求棒冰，工厂就调用棒冰实例化方法生产棒冰。

原理：

  • 工厂类的creareProduct方法根据输入的参数，实例化对应的产品作为结果返回。
  • 用户调用时，调用具体工厂，用抽象产品来接收返回的创建出的产品。

适用：

  • 产品类型少，创建对象少。对扩展性要求不高。因为一旦增加产品，就需要修改工厂实现。

1.3 工厂方法（Factory Method）

理解：

  • 一个具体工厂生产其对应的具体产品，用户调用哪个具体工厂，就生产其对应的产品。
  • 一个工厂生产一类产品。

案例：

  • 饼干工厂生产饼干，棒冰工厂生产棒冰。客户调用哪个具体工厂，就生产得到哪个具体产品。

原理：

  • 具体工厂的createProduct方法生成其对应的具体产品。
  • 用户调用时，用抽象工厂（基类、接口）来调用具体工厂，用抽象产品（基类、接口）来接收具体产品。

适用：

  • 比简单工厂可扩展性更好，客户端中处理的都是抽象工厂、抽象产品，可以轻松扩展新的具体工厂和具体产品。符合开放闭合原则。

1.4 抽象工厂（Abstract Factory）

理解：

  • 不同的工厂可以生产同类但不同种的产品。
  • 一个工厂生产多类产品。

案例：

  • 苹果工厂可以生产手机和电脑，小米工厂也可以生产手机和电脑，他们生产的产品属于同类但不同种。客户调用哪个具体工厂，就获取该工厂生产的各类产品。

原理：

  • 具体工厂的createProductA生产其对应的A类具体商品，createProductB生产其对应的B类具体商品。
  • 每类产品用一个抽象产品表示，每个工厂都可以生产若干个抽象产品的具体产品。

适用：

  • 相比于工厂模式一个具体工厂生产一类产品，抽象工厂可以适用于更复杂的情况——一个具体工厂可以生产多类产品。

1.5 生成器（Builder）

理解：

  • 生成器可以接受持续的增删修改，最终的结果用来生成一个整体的东西。

案例：

  • StringBuilder可以连续接受String的增删，然后生成一个最终的String。
  • 电商购物车可以接受商品的增删修改，结算的时候再生成一个最终的订单。

原理：

  • 生成器内部是一个容器，对容器进行增删修改，最后生成时用容器中的数据来创建一个生成结果。

适用：

  • 实例的创建过程比较复杂，不是一下子就能创建的，需要连续增删修改，直到到最终生成的情况。

1.6 原型（Prototype）

理解：

  • 相当于克隆给定原型对象，以一个实例为原型，再克隆一个出来。

案例：

  • 我有一份纸质文件作为原型，我用复印机复印了一份出来，即创建了原型的复制。

原理：

  • 原型类要提供克隆方法供外部调用。

适用：

  • 给定原型，克隆出新对象的情况。

2 行为型模式（Behavioral Pattern）

行为型模式是对在不同对象之间划分责任和算法的抽象化。就像是划分每个人的工作内容和职责。

2.1 责任链（Chain of Responsibility）

理解：

  • 发送者发出请求，接收方是一个责任链，链上的对象依次收到请求，能处理就处理请求完成任务，不能处理就往后面继续传递，直到最后有接收者处理掉。

案例：

  • 用户发来HTTP GET请求，CDN里有缓存就直接响应，没有就发给源站，源站的缓存里有结果就拿来响应，没有就继续查询数据库，数据库有结果就返回，没有就再转交给Not Found的处理机制去处理，完成响应。

原理：

  • 把Handler组织成链表的形式，前面的无法处理，就交给后续的处理。

2.2 命令（Command）

理解：

  • 把命令（命令对应一系列操作）封装在一个命令对象里。
  • Client把Command设置到Invoker里用来调用，而Command里负责调用Receiver的方法，即执行命令。

案例：

  • 遥控器就是一个Invoker，里面装了很多代表Command的按钮，Client只管操作遥控器上的按钮，按钮所对应的命令程序负责发送信号，遥控目标。

原理：

  • 对命令进行封装，将命令执行的流程封装在命令对象中。
  • 引入抽象命令接口，外部只需要调用命令实例执行命令方法，具体命令才负责具体完成命令所需的具体执行步骤。

适用：

  • Client不直接和Receiver接触。
  • Command既然已经封装为实例了，那就可以以实例的形式放到容器里，例如：队列，排队等待执行。

2.3 解释器（Interpreter）

理解：

  • 为语言创建解释器，通常由语言的语法和语法分析来定义。

案例：

  • 句法分析，句法解析树。

原理：

  • 解析上下文，分解交给下一级，形成句法分析树。

适用：

  • 语法、句法等分析。

2.4 迭代器（Iterator）

理解：

  • 顺序访问，迭代容器内的对象。

案例：

  • 各类数据结构的迭代器。

原理：

  • 迭代器与容器相关联，记录着容器中的迭代位置，提供hasNext()和next()方法来检测后续有没有，以及获取后续元素。

适用：

  • 迭代容器。

2.5 中介者（Mediator）

理解：

  • 做一件事情需要牵涉到很多对象，找一个中介，让中介去和杂七杂八的对象打交道，我只要和中介对接就可以了。

案例：

  • 线程池里有很多线程，我不需要去管理每一个具体线程，我只需要把任务交给线程池就行。
  • 房产中介负责给汇总卖方们的信息，提供给买方一个结论。

原理：

  • 中介需要调用各方面的对象（同事），完成复杂的沟通和控制，完成调用者的目标。

适用：

  • 调用方从与各种对象的复杂控制关系中脱离出来，交给中介去处理。

2.6 备忘录（Memento）

理解：

  • 把对象的内部状态记录下来，必要的适合可以恢复到当时的状态。

案例：

  • 序列化，如：把一个字典序列化为JSON格式的文本，必要的适合可以从JSON来恢复出字典。

原理：

  • 对象要实现createMemento方法（backup）来输出内部状态，实现setMemento方法（recover）来根据记录内部状态的备忘录恢复内部状态。

适用：

  • 个人理解就是实现备份和恢复的功能。

2.7 观察者（Observer）

理解：

  • 观察者可以注册到被观察对象上，被观察对象状态变化的时候，要通知观察者。

案例：

  • 烟雾报警器状态变化的时候，要发送信息、信号来通知房屋管理方，手机APP。
  • 服务器管理平台发现服务器温度过热了，服务器管理平台通过邮件、消息推送告警信息给管理员。

原理：

  • 被观察对象里能够添加、关联观察者，被观察对象的update方法除了修改内部状态，也要执行观察者的notify方法。

2.8 状态（State）

理解：

  • 主体的状态会自动变化，根据主体的状态，做相应的操作。

案例：

  • 在自动贩卖机有货的时候按购买按钮执行的是支付-出货操作，在没货的时候按购买按钮，执行的是缺货提醒操作。按下同一个按钮，在状态不同的时候执行的操作就不同了。

原理：

  • 调用的是状态实例的方法，这样状态改变了，调用的方法自然就改变了。
  • 状态的方法要检测上下文，及时修改主体的状态。主体关联状态，每一个状态实例也关联主体。
  • 售卖机有货的时候，购买时，调用售卖机的HasProductState.sell()方法，该方法如果发现卖完就售空了，要把售卖机的状态修改为NoProductState缺货状态，下次再购买时，调用的就是NoProductState.sell()了。

2.9 策略（Strategy）

理解：

  • 把算法实例化为策略对象，我给主体手动设置哪个策略，主体就执行哪个策略。

案例：

  • 创建一个Robot，他调用自己的hello()方法来打招呼，该hello方法调用strategy.hello()，我把他的策略设置为EnglishStrategy，他就调用EnglishStrategy.hello()输出Hello，我把他的策略设置为ChineseStrategy，他就调用ChineseStrategy.hello()输出你好。

原理：

  • 算法由策略对象实现，主体调用自己的策略对象实现的算法。

2.10 模板方法（Template Method）

理解：

  • 抽象类定义的功能方法是一个调用模板，模板里具体被调的函数有的实现了，有的是抽象方法，还没实现，需要子类实现。

案例：

  • 冲剂饮料作为抽象类，冲泡饮料包含：倒水、加冲剂、搅拌三步。倒水和搅拌没区别，加冲剂则为抽象方法。咖啡作为子类，实现的加冲剂方法就是加咖啡粉。橙汁作为子类，实现的加冲剂方法就是加橙汁粉。基类定义的模板由子类来实现。

原理：

  • 抽象类可以定义具体方法和抽象方法，组合起来可以形成一个模板方法。模板方法中用到的抽象方法交给子类去实现。外部调用抽象类的模板方法就可以了。

2.11 访问者（Visitor）

理解：

  • 访问者访问对象结构（包含一些对象），对象结构要接待访问者，要安排对象结构中的每个对象接待访问者，让访问者访问这些对象。访问者访问完对象结构中的各个对象，就可以根据访问过程中记录的信息，汇总出结果。

案例：

  • 访问者遍历一批客户对象，在访问的过程中汇总这些客户的订单数据（数量、金额）。
  • 审计员访问（visit）工厂，工厂总经理负责接待（accept），要安排每一个办公室、车间、仓库的负责人接待（accept）审计员，让审计员访问（visit），审计员完成访问后，就可以得出审计结果，完成审计报告。

原理：

  • 访问者实现访问方法visit(element)；
  • 被访问的对象结构和对象实现接待方法accept(visitor)，接待方法中负责调用访问者的访问方法visitor.visit(myself)让访问者能访问自己；

适用：

  • 数据结构预留面向访问者的接待方法，可以让外部动态地实现访问方法，增加对数据结构的遍历操作功能。

2.12 空对象（Null）

理解：

  • 空对象什么也不做，只是用来代替Null。
  • 这样一来，调用方就不用检查结果是否为null了，只管调用空对象的对应方法，反正什么也不会做就结束了。

案例：

  • JDK中的Collections.emptySet()、Collections.emptyMap()、Collections.emptyList()都是返回可读但不可写的空对象。

原理：

  • 实对象实现有功能的handle()方法，空对象实现没功能的handle()方法。调用实对象时执行功能操作，调用空对象时执行空白的、没有操作的方法。

适用：

  • 检查判断Null代价高时，可以用空对象。

3 结构型模式（Structural Pattern）

结构型模式的作用在于，把类或对象以某种结构模式来组合起来，形成一个更大的结构，就像搭积木。

3.1 适配器（Adapter）

理解：

  • 适配器把具体的特殊调用转换为统一的调用方法，让用户可以通过适配器的一个方法，调用各种特殊的具体方法。

案例：

  • 三脚插座只能用三脚插头，但是通过两脚转三脚适配器，就可以用两脚插头。

原理：

  • 用户只需要调用适配器提供的统一的方法，适配器方法的实现则需要去调用具体各种的特殊方法。

  • Client只调用一个标准方法（如：add()方法），但被调用的数据结构各有各的特殊方法，有的数据结构是append()方法，有的是push()方法。通过定义适配器，Client统一都调用适配器adapter.add()即可，而适配器在adapter.add()中调用data.push()或data.append()这些特殊的add方法。

3.2 桥接（Bridge）

理解：

  • 将抽象与实现分离开来，使它们可以独立变化。
  • 外部使用抽象接口，内部实现抽象接口。抽象接口就是桥接的桥梁。
  • 顶层应用只关心抽象的接口功能，至于每个具体类与对象是怎么实现这些接口功能，是底层实现的关心的事情。顶层变动了底层不需要跟着改，底层变动了顶层也依旧可以工作，只要接口不改就行。

案例：

  • 定义图形接口Drawing，配有绘制函数draw()；圆形Circle、方形Square都扩展了该接口，分别完成了draw绘制函数的具体实现。外部只需要通过调用Drawing接口引用图形实例，调用接口的draw函数实现实例的绘制，至于每个图形具体是如何实现绘制功能的，外部不需要关心。这种通过接口来引用实例、调用方法的做法就是桥接模式。

原理：

  • 通过定义接口、抽象类来规定桥接的”桥“；具体类要负责扩展接口、实现抽象类，外部不关心其具体实现；外部通过接口、抽象类引用具体实例，调用接口、抽象类所定义的方法来调用具体实例的功能。

3.3 组合（Composite）

理解：

  • 把对象组合成树形结构。

案例：

  • 二叉树，节点实例又包含了对左子树和右子树的引用。

原理：

  • 组件（Component）类是组合类（Composite）和叶子类（Leaf）的父类，可以把组合类看成是树的中间节点。
  • 组合对象拥有一个或者多个组件对象，因此组合对象的操作可以委托给组件对象去处理，而组件对象可以是另一个组合对象或者叶子对象。

3.4 装饰（Decorator）

理解：

  • 为对象添加功能；
  • 装饰模式把原来的对象又包了一层（装饰了一层），装饰对象里包含了被装饰对象，不再直接调用原始的被装饰对象。这样一来，调用装饰对象的方法时候，就可以在调用被装饰对象方法的基础之上，再额外执行装饰对象增添的功能。

案例：

  • Java中的Stream I/O，通过BufferedInputStream、BufferedOutputStream、ZipOutputStream等装饰类，在调用InputStream和OutputStream的基础之上，额外实现了缓存、压缩等功能。

原理：

  • 装饰类里把被装饰类实例作为成员，外部调用装饰类实现的方法，装饰类再调用被装饰类的方法，并实现一些其他的功能。

3.5 外观（Facade）

理解：

  • 系统内部太复杂了，外部难以访问操作，那就对外提供一批统一的简易接口，让外部更容易使用系统的功能。

案例：

  • 手机、电脑的有各种一键模式：飞行模式可以一键关闭所有的无线电通信功能，不需要再一个个单独关闭WiFi、蓝牙、移动网络等等；勿扰模式可以一键关闭震动、铃声、消息弹窗等功能，不需要单独屏蔽；
  • 一些”安全“软件的一键体检、一键优化也是对外提供的统一接口，一键实现了很多文件扫描、设置修改功能。

原理：

  • 定义一个外观类，实现对外提供的方法，例如：一键优化、勿扰模式、飞行模式等方法，这些方法完成具体的操作。

适用：

  • 通过外观（Facade）模式，为复杂子系统提供简单接口。

3.6 享元（Flyweight）

理解：

  • Flyweight在英语里的意思是”小东西，无足轻重的东西“；
  • 享元模式就是通过共享的形式来复用大量内部状态相同的小东西（细粒度对象），相同内容的小对象，没必要重复创建，共享同一个就可以了。

案例：

  • Java中的字符串常量池（String Pool），创建字符串对象时，如果字符串常量池中已经有相同内容的字符串常量了，那就不再实例化新对象了，直接共享已有的。
  • Java中，包装类Integer、Long、Double等的valueOf()函数也是共享相同的常量对象，已有的就不再新建，共享已有常量即可。
  • 操作系统中，文件复制的Copy-on-Write(CoW)机制，也是共享（不过可能未必算小对象）。

原理：

  • 享元对象包含内部状态（Intrinsic state）和外部状态（Extrinsic state）。内部状态存储在享元内部，不因环境改变；外部状态由Client另外保存，调用的时候再传入享元。享元对象之间，内部状态相同，即可共享；外部状态则可以互相不同。
  • 建立一个对象池（享元池，Flyweight Pool），如果缓存池里有相同内部状态的享元对象，就无需实例化新对象，直接共享已有的。

3.7 代理（Proxy）

理解：

  • 代理模式控制对原始对象的访问。
  • 在用户和目标对象之间，加一层代理。让用户不直接接触目标对象，所需操作要经由代理来代办。

案例：

  • 现实生活中，律师就是一种代理，将当事人与其他的相关方隔开，所有的对当事人的询问、诉求、谴责都经由律师处理，由律师来把关，判断合不合适，保护当事人利益。秘书、管家都由代理的功能，访客不直接见主人，需要先请求秘书、管家进行安排，秘书、管家作为中间的代理，负责把关、甄别，再转交给主人处理。
  • 软件开发中，代理有以下四类：
    • 远程代理（Remote Proxy）：控制对远程对象（不同地址空间）的访问，它负责将请求及其参数进行编码，并向不同地址空间中的对象发送已经编码的请求。
    • 虚拟代理（Virtual Proxy）：根据需要创建开销很大的对象，它可以缓存实体的附加信息，以便延迟对它的访问，例如：在网站加载一个很大图片时，不能马上完成，可以用虚拟代理缓存图片的大小信息，然后生成一张临时图片代替原始图片。
    • 保护代理（Protection Proxy）：按权限控制对象的访问，它负责检查调用者是否具有实现一个请求所必须的访问权限。
    • 智能代理（Smart Reference）：取代了简单的指针，它在访问对象时执行一些附加操作：记录对象的引用次数；当第一次引用一个对象时，将它装入内存；在访问一个实际对象前，检查是否已经锁定了它，以确保其它对象不能改变它。

原理：

  • 代理实现和原始对象相同的接口，代理实例中关联了原始对象。使用时访问代理实例，调用代理实例实现的接口方法。代理实例实现的接口方法可以包含：编解码、权限检查、临时缓存、操作记录等功能。

适用：

  • 个人感觉代理模式和装饰模式挺像的，都是把原始对象作为代理类型实例、装饰类型实例的成员，让外部不要直接调用原始对象，而是由代理实例、装饰实例去代办，往往用来增加额外功能。我感觉区别可能主要在于，代理模式侧重于控制访问权限（偏安全管控），装饰模式侧重于增加额外操作以改进功能（把粗糙的装饰得更完善）。