Java实现二十三种设计模式（一）——五种构建型模式——工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造型模式、原型模式）

本文参考自力扣，原文地址如下：https://www.zhihu.com/collection/816960577

一、前言

面向对象的特点是可维护、可复用、可扩展、灵活性好，它真正强大的地方在于：随着业务变得越来越复杂，面向对象依然能够使得程序结构良好，而面向过程却会导致程序越来越臃肿。

让面向对象保持结构良好的秘诀就是设计模式。

设计模式的世界丰富多彩，比如生产一个个「产品」的工厂模式，衔接两个不相关接口的适配器模式，用不同的方式做同一件事的策略模式，构建步骤稳定、根据构建过程的不同配置构建出不同对象的建造者模式等。

面向对象结合设计模式，才能真正体会到程序变得可维护、可复用、可扩展、灵活性好。设计模式对于程序员而言并不陌生，每个程序员在编程时都会或多或少地接触到设计模式。无论是在大型程序的架构中，亦或是在源码的学习中，设计模式都扮演着非常重要的角色。

为了省时间，本文代码基本是伪代码，所以会存在一些类没有创建的现象。

1、设计模式的六大原则

• 开闭原则：一个软件实体如类、模块和函数应该对修改封闭，对扩展开放。
• 单一职责原则：一个类只做一件事，一个类应该只有一个引起它修改的原因。
• 里氏替换原则：子类应该可以完全替换父类。也就是说在使用继承时，只扩展新功能，而不要破坏父类原有的功能。
• 依赖倒置原则：细节应该依赖于抽象，抽象不应依赖于细节。把抽象层放在程序设计的高层，并保持稳定，程序的细节变化由低层的实现层来完成。
• 迪米特法则：又名「最少知道原则」，一个类不应知道自己操作的类的细节，换言之，只和朋友谈话，不和朋友的朋友谈话。
• 接口隔离原则：客户端不应依赖它不需要的接口。如果一个接口在实现时，部分方法由于冗余被客户端空实现，则应该将接口拆分，让实现类只需依赖自己需要的接口方法。

二、构建型模式

所有的设计模式都是为了程序能更好的满足这六大原则。设计模式一共有 23 种，今天我们先来学习构建型模式，一共五种，分别是：

• 工厂方法模式
• 抽象工厂模式
• 单例模式
• 建造型模式
• 原型模式

1、工厂模式

在平时编程中，构建对象最常用的方式是 new 一个对象。乍一看这种做法没什么不好，而实际上这也属于一种硬编码。每 new 一个对象，相当于调用者多知道了一个类，增加了类与类之间的联系，不利于程序的松耦合。其实构建过程可以被封装起来，工厂模式便是用于封装对象的设计模式。

工厂模式中，工厂方法模式跟抽象工厂模式算两种模式。

a、简单工厂模式（不算入工厂模式中）

举个例子，直接 new 对象的方式相当于当我们需要一个苹果时，我们需要知道苹果的构造方法，需要一个梨子时，需要知道梨子的构造方法。更好的实现方式是有一个水果工厂，我们告诉工厂需要什么种类的水果，水果工厂将我们需要的水果制造出来给我们就可以了。这样我们就无需知道苹果、梨子是怎么种出来的，只用和水果工厂打交道即可。

水果工厂：

调用者：

事实上，将构建过程封装的好处不仅可以降低耦合，如果某个产品构造方法相当复杂，使用工厂模式可以大大减少代码重复。
比如，如果生产一个苹果需要苹果种子、阳光、水分，将工厂修改如下：

调用者的代码则完全不需要变化，而且调用者不需要在每次需要苹果时，自己去构建苹果种子、阳光、水分以获得苹果。苹果的生产过程再复杂，也只是工厂的事。这就是封装的好处；如果哪天生产苹果需要其他的原料，也只需要在工厂中修改，调用者就不需要关心生产过程。

上面的代码，其实就是简单工厂模式的代码。工厂模式一共有三种：

• 简单工厂模式
• 工厂方法模式
• 抽象工厂模式

在 GoF 所著的《设计模式》一书中，简单工厂模式被划分为工厂方法模式的一种特例，没有单独被列出来。

总而言之，简单工厂模式就是让一个工厂类承担构建所有对象的职责。调用者需要什么产品，让工厂生产出来即可。它的弊端也显而易见：

• 一是如果需要生产的产品过多，此模式会导致工厂类过于庞大，承担过多的职责，变成超级类。当苹果生产过程需要修改时，要来修改此工厂。梨子生产过程需要修改时，也要来修改此工厂。也就是说这个类不止一个引起修改的原因。违背了单一职责原则。
• 二是当要生产新的产品时，必须在工厂类中添加新的分支。而开闭原则告诉我们：类应该对修改封闭。我们希望在添加新功能时，只需增加新的类，而不是修改既有的类，所以这就违背了开闭原则。

b、工厂方法模式

为了解决简单工厂模式的这两个弊端，工厂方法模式应运而生，它规定每个产品都有一个专属工厂。比如苹果有专属的苹果工厂，梨子有专属的梨子工厂，Java 代码如下：

苹果工厂：

梨子工厂：

调用者：

有读者可能就要问了，这样和直接 new 出苹果和梨子有什么区别？

上文说工厂是为了减少类与类之间的耦合，让调用者尽可能少的和其他类打交道。用简单工厂模式，我们只需要知道 FruitFactory，无需知道 Apple 、Pear 类，很容易看出耦合度降低了。

但用工厂方法模式，调用者虽然不需要和 Apple 、Pear 类打交道了，但却需要和 AppleFactory、PearFactory 类打交道。有几种水果就需要知道几个工厂类，耦合度完全没有下降，甚至还增加了代码量！

仔细想一想，工厂模式的第二个优点在工厂方法模式中还是存在的。当构建过程相当复杂时，工厂将构建过程封装起来，调用者可以很方便的直接使用，同样以苹果生产为例：

调用者无需知道苹果的生产细节，当生产过程需要修改时也无需更改调用端。同时，工厂方法模式解决了简单工厂模式的两个弊端。

• 当生产的产品种类越来越多时，工厂类不会变成超级类。工厂类会越来越多，保持灵活。不会越来越大、变得臃肿。如果苹果的生产过程需要修改时，只需修改苹果工厂。梨子的生产过程需要修改时，只需修改梨子工厂。符合单一职责原则。
• 当需要生产新的产品时，无需更改既有的工厂，只需要添加新的工厂即可。保持了面向对象的可扩展性，符合开闭原则。

c、抽象工厂模式

工厂方法模式可以进一步优化，提取出工厂接口：

然后苹果工厂和梨子工厂都实现此接口：

此时，调用者可以将 AppleFactory 和 PearFactory 统一作为 IFactory 对象使用，调用者 Java 代码如下：

可以看到，我们在创建时指定了具体的工厂类后，在使用时就无需再关心是哪个工厂类，只需要将此工厂当作抽象的 IFactory 接口使用即可。这种经过抽象的工厂方法模式被称作抽象工厂模式。

由于客户端只和 IFactory 打交道了，调用的是接口中的方法，使用时根本不需要知道是在哪个具体工厂中实现的这些方法，这就使得替换工厂变得非常容易。

例如：

如果需要替换为吃梨子，只需要更改一行代码即可：

IFactory 中只有一个抽象方法时，或许还看不出抽象工厂模式的威力。实际上抽象工厂模式主要用于替换一系列方法。
例如将程序中的 SQL Server 数据库整个替换为 Access 数据库，使用抽象方法模式的话，只需在 IFactory 接口中定义好增删改查四个方法，让 SQLFactory 和 AccessFactory 实现此接口，调用时直接使用 IFactory 中的抽象方法即可，调用者无需知道使用的什么数据库，我们就可以非常方便的整个替换程序的数据库，并且让客户端毫不知情。

抽象工厂模式很好的发挥了开闭原则、依赖倒置原则，但缺点是抽象工厂模式太重了，如果 IFactory 接口需要新增功能，则会影响到所有的具体工厂类。使用抽象工厂模式，替换具体工厂时只需更改一行代码，但要新增抽象方法则需要修改所有的具体工厂类。
所以抽象工厂模式适用于增加同类工厂这样的横向扩展需求，不适合新增功能这样的纵向扩展。

2、单例模式

单例模式非常常见，某个对象全局只需要一个实例时，就可以使用单例模式。
它的优点也显而易见：

• 它能够避免对象重复创建，节约空间并提升效率。
• 避免由于操作不同实例导致的逻辑错误。

单例模式有两种实现方式：饿汉式和懒汉式。

a、饿汉式

饿汉式：变量在声明时便初始化。

可以看到，我们将构造方法定义为 private，这就保证了其他类无法实例化此类，必须通过 getInstance 方法才能获取到唯一的instance 实例，非常直观。

但饿汉式有一个弊端，那就是即使这个单例不需要使用，它也会在类加载之后立即创建出来，占用一块内存，并增加类初始化时间。

为什么要叫饿汉式呢？就好比一个电工在修理灯泡时，先把所有工具拿出来，不管是不是所有的工具都用得上。就像一个饥不择食的饿汉，所以称之为饿汉式。

b、懒汉式

懒汉式：先声明一个空变量，需要用时才初始化。例如：

我们先声明了一个初始值为 null 的 instance 变量，当需要使用时判断此变量是否已被初始化，没有初始化的话才 new 一个实例出来。
就好比电工在修理灯泡时，开始比较偷懒，什么工具都不拿，当发现需要使用螺丝刀时，才把螺丝刀拿出来。当需要用钳子时，再把钳子拿出来。

就像一个不到万不得已不会行动的懒汉，所以称之为懒汉式。

懒汉式解决了饿汉式的弊端，好处是按需加载，避免了内存浪费，减少了类初始化时间。

c、懒汉式加锁

上述代码的懒汉式单例乍一看没什么问题，但其实它不是线程安全的。如果有多个线程同一时间调用 getInstance 方法，instance 变量可能会被实例化多次。为了保证线程安全，我们需要给判空过程加上锁：

这样就能保证多个线程调用 getInstance 时，一次最多只有一个线程能够执行判空并 new 出实例的操作，所以 instance 只会实例化一次。

d、懒汉式（双检锁）

但这样的写法仍然有问题，当多个线程调用 getInstance 时，每次都需要执行 synchronized 同步化方法，这样会严重影响程序的执行效率。所以更好的做法是在同步化之前，再加上一层检查：

e、懒汉式（静态内部类保证线程安全）

除了双检锁方式外，还有一种比较常见的静态内部类方式保证懒汉式单例的线程安全：

虽然我们经常使用这种静态内部类的懒加载方式，但其中的原理不一定每个人都清楚。

接下来我们便来分析其原理，搞清楚两个问题：

• 1、静态内部类方式是怎么实现懒加载的。
• 2、静态内部类方式是怎么保证线程安全的。

解答第一个问题：

Java 类的加载过程包括：加载、验证、准备、解析、初始化。初始化阶段即执行类的 clinit 方法（clinit = class + initialize），包括为类的静态变量赋初始值和执行静态代码块中的内容。但不会立即加载内部类；内部类会在使用时才加载。所以当此 Singleton 类加载时，SingletonHolder 并不会被立即加载，所以不会像饿汉式那样占用内存。

另外，Java 虚拟机规定，当访问一个类的静态字段时，如果该类尚未初始化，则立即初始化此类。当调用Singleton 的 getInstance 方法时，由于其使用了 SingletonHolder 的静态变量 instance，所以这时才会去初始化 SingletonHolder，在 SingletonHolder 中 new 出 Singleton 对象，这就实现了懒加载。

解答第二个问题：

第二个问题的答案是 Java 虚拟机的设计是非常稳定的，早已经考虑到了多线程并发执行的情况。虚拟机在加载类的 clinit 方法时，会保证 clinit 在多线程中被正确的加锁、同步。即使有多个线程同时去初始化一个类，一次也只有一个线程可以执行 clinit 方法，其他线程都需要阻塞等待，从而保证了线程安全。

懒加载方式在平时非常常见，比如打开我们常用的美团、饿了么、支付宝 app，应用首页会立刻刷新出来，但其他标签页在我们点击到时才会刷新。这样就减少了流量消耗，并缩短了程序启动时间。再比如游戏中的某些模块，当我们点击到时才会去下载资源，而不是事先将所有资源都先下载下来，这也属于懒加载方式，避免了内存浪费。

但懒汉式的缺点就是将程序加载时间从启动时延后到了运行时，虽然启动时间缩短了，但我们浏览页面时就会看到数据的 loading 过程。如果用饿汉式将页面提前加载好，我们浏览时就会特别的顺畅，也不失为一个好的用户体验。比如我们常用的 QQ、微信 app，作为即时通讯的工具软件，它们会在启动时立即刷新所有的数据，保证用户看到最新最全的内容。著名的软件大师 Martin 在《代码整洁之道》一书中也说到：不提倡使用懒加载方式，因为程序应该将构建与使用分离，达到解耦。饿汉式在声明时直接初始化变量的方式也更直观易懂。所以在使用饿汉式还是懒汉式时，需要权衡利弊。

一般的建议是：对于构建不复杂，加载完成后会立即使用的单例对象，推荐使用饿汉式。对于构建过程耗时较长，并不是所有使用此类都会用到的单例对象，推荐使用懒汉式。

3、建造型模式

建造型模式用于创建过程稳定，但配置多变的对象。在《设计模式》一书中的定义是：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。

经典的「建造者-指挥者」模式现在已经不太常用了，现在建造者模式主要用来通过链式调用生成不同的配置。比如我们要制作一杯珍珠奶茶。它的制作过程是稳定的，除了必须要知道奶茶的种类和规格外，是否加珍珠和是否加冰是可选的。使用建造者模式表示如下：

可以看到，我们将 MilkTea 的构造方法设置为私有的，所以外部不能通过 new 构建出 MilkTea 实例，只能通过 Builder 构建。对于必须配置的属性，通过 Builder 的构造方法传入，可选的属性通过 Builder 的链式调用方法传入，如果不配置，将使用默认配置，也就是中杯、加珍珠、不加冰。根据不同的配置可以制作出不同的奶茶：

运行程序，输出如下：

一份中杯、加珍珠、不加冰的原味奶茶
一份中杯、加珍珠、不加冰的巧克力味奶茶
一份大杯、不加珍珠、加冰的草莓味奶茶

使用建造型模式的好处是不用担心忘了指定某个配置，保证了构建过程是稳定的。在 OkHttp、Retrofit 等著名框架的源码中都使用到了建造型模式。

a、仿 lombok 的 @Builder 注解

如果有用过 lombok 的朋友可以发现如果实体类上面添加了 @Builder 的注解后，可以像下方这么使用：

就是可以一直点属性而不用一直 set 那样那么麻烦。

可以感受到就是用到了建造型模式。

那么尝试模仿这种用法：

然后创建对象：

可以发现跟前面举例不同的是：前面是通过内部类来调用 build() 方法，而现在举例用的是通过静态方法 build() 创建出内部类，再通过内部类的方式来创建 People 对象。

4、原型模式

原型模式：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。

Java 中，Object 的 clone() 方法就属于原型模式。

举个例子，比如有一天，周杰伦到奶茶店点了一份不加冰的原味奶茶，你说我也要一份跟周杰伦一样的。用程序表示如下：

奶茶类：

下单：

好像没什么问题，将周杰伦的奶茶直接赋值到你的奶茶上就行了，看起来我们并不需要 clone 方法。但是这样真的是复制了一份奶茶吗？

当然不是，Java 的赋值只是传递地址。这样赋值之后，yourMilkTea 仍然指向的周杰伦的奶茶，并不会多一份一样的奶茶。

那么我们要怎么做才能点一份一样的奶茶呢？将程序修改如下就可以了：

只有这样，yourMilkTea 才是 new 出来的一份全新的奶茶。我们设想一下，如果有一千个粉丝都需要点和周杰伦一样的奶茶的话，按照现在的写法就需要 new 一千次，并为每一个新的对象赋值一千次，造成大量的重复。

更糟糕的是，如果周杰伦临时决定加个冰，那么粉丝们的奶茶配置也要跟着修改。

大批量的修改无疑是非常丑陋的做法，这就是我们需要 clone 方法的理由！

运用原型模式，在 MilkTea 中新增 clone 方法：

下单：

这就是原型模式，Java 中有一个语法糖，让我们并不需要手写 clone 方法。这个语法糖就是 Cloneable 接口，我们只要让需要拷贝的类实现此接口即可：

值得注意的是，Java 自带的 clone 方法是浅拷贝的。也就是说调用此对象的 clone 方法，只有基本类型的参数会被拷贝一份，非基本类型的对象不会被拷贝一份，而是继续使用传递引用的方式。如果需要实现深拷贝，必须要自己手动修改 clone 方法才行。