「设计模式」创建型

创建型设计模式常见有如下几类: 单例(Singleton) 简单工厂(Simple Factory) 工厂方法(Factory Method) 抽象工厂(Abstract Factory) 生成器(Builder) 原型模式(Prototype)...

创建型设计模式常见有如下几类:

  1. 单例(Singleton)
  2. 简单工厂(Simple Factory)
  3. 工厂方法(Factory Method)
  4. 抽象工厂(Abstract Factory)
  5. 生成器(Builder)
  6. 原型模式(Prototype)

1. 单例(Singleton)

意图

确保一个类只有一个实例,并提供该实例的全局访问点。

类图

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例,只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

单例模式单例模式

实现

1) 懒汉式-线程不安全

以下实现中,私有静态变量 uniqueInstance 被延迟化实例化,这样做的好处是,如果没有用到该类,那么就不会实例化 uniqueInstance,从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的,如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ,并且此时 uniqueInstancenull,那么多个线程会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句,这将导致多次实例化 uniqueInstance

/**
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 */
public class Singleton { private static Singleton uniqueInstance; private Singleton() { } public static Singleton getUniqueInstance() { if (uniqueInstance == null) { uniqueInstance = new Singleton(); } return uniqueInstance; } } 

2) 懒汉式-线程安全

只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁,那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法,从而避免了对 uniqueInstance 进行多次实例化的问题。

但是这样有一个问题,就是当一个线程进入该方法之后,其它线程试图进入该方法都必须等待,因此性能上有一定的损耗。

public static synchronized Singleton getUniqueInstance() { if (uniqueInstance == null) { uniqueInstance = new Singleton(); } return uniqueInstance; } 

3) 饿汉式-线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化了多次,如果 uniqueInstance 采用直接实例化的话,就不会被实例化多次,也就不会产生线程不安全问题。但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的优势。

private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

4) 双重校验锁-线程安全

uniqueInstance 只需要被实例化一次,之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行。也就是说,只有当 uniqueInstance 没有被实例化时,才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化,如果没有被实例化,那么才对实例化语句进行加锁。

/**
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 */
public class Singleton { private volatile static Singleton uniqueInstance; private Singleton() { } public static Singleton getUniqueInstance() { if (uniqueInstance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (uniqueInstance == null) { uniqueInstance = new Singleton(); } } } return uniqueInstance; } } 

考虑下面的实现,也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下,如果两个线程同时执行 if 语句,那么两个线程就会同时进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作,但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句,只是先后的问题,也就是说会进行两次实例化,从而产生了两个实例。因此必须使用双重校验锁,也就是需要使用两个 if 判断。

if (uniqueInstance == null) {
    synchronized (Singleton.class) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
}

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的。uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行。

  • (1). 分配内存空间
  • (2). 初始化对象
  • (3). 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性,有可能执行顺序变为了 1>3>2,这在单线程情况下自然是没有问题。但如果是多线程下,有可能获得是一个还没有被初始化的实例,以致于程序出错; 使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排,保证在多线程环境下也能正常运行。

5) 静态内部类实现

Singleton 类被加载时,静态内部类 SingletonHolder没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCESingletonHolder 才会被加载,此时初始化 INSTANCE 实例,并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。

/**
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public class Singleton { private Singleton() { } private static class SingletonHolder { private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); } public static Singleton getUniqueInstance() { return SingletonHolder.INSTANCE; } } 

这种方式不仅具有延迟初始化的好处,而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。

使用场景

  • Logger Classes
  • Configuration Classes
  • Accesing resources in shared mode
  • Factories implemented as Singletons

JDK

2. 简单工厂(Simple Factory)

意图

在创建一个对象时不向客户暴露内部细节,并提供一个创建对象的通用接口。

类图

简单工厂不是设计模式,更像是一种编程习惯。它把实例化的操作单独放到一个类中,这个类就成为简单工厂类,让简单工厂类来决定应该用哪个子类来实例化。

简单工厂模式简单工厂模式

这样做能把客户类和具体子类的实现解耦,客户类不再需要知道有哪些子类以及应当实例化哪个子类。因为客户类往往有多个,如果不使用简单工厂,所有的客户类都要知道所有子类的细节。而且一旦子类发生改变,例如增加子类,那么所有的客户类都要进行修改。

如果存在下面这种代码,就需要使用简单工厂将对象实例化的部分放到简单工厂中。

public class Client {
    public static void main(String[] args) { int type = 1; Product product; if (type == 1) { product = new ConcreteProduct1(); } else if (type == 2) { product = new ConcreteProduct2(); } else { product = new ConcreteProduct(); } } } 

实现

public interface Product {
}
public class ConcreteProduct implements Product { } 
public class ConcreteProduct1 implements Product { } 
public class ConcreteProduct2 implements Product { } 
/**
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public class SimpleFactory { public Product createProduct(int type) { if (type == 1) { return new ConcreteProduct1(); } else if (type == 2) { return new ConcreteProduct2(); } return new ConcreteProduct(); } } 
public class Client {
    public static void main(String[] args) { SimpleFactory simpleFactory = new SimpleFactory(); Product product = simpleFactory.createProduct(1); } } 

3. 工厂方法(Factory Method)

意图

定义了一个创建对象的接口,但由子类决定要实例化哪个类。工厂方法把实例化推迟到子类。

类图

在简单工厂中,创建对象的是另一个类,而在工厂方法中,是由子类来创建对象。

下图中 Factory 有一个 doSomething() 方法,这个方法需要用到一个产品对象,这个产品对象由 factoryMethod() 方法创建。该方法是抽象的,需要由子类去实现。

工厂方法模式工厂方法模式

实现

/**
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public abstract class Factory { abstract public Product factoryMethod(); public void doSomething() { Product product = factoryMethod(); // do something with the product } } 
/**
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public class ConcreteFactory extends Factory { public Product factoryMethod() { return new ConcreteProduct(); } } 
public class ConcreteFactory1 extends Factory { public Product factoryMethod() { return new ConcreteProduct1(); } } 
/**
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public class ConcreteFactory2 extends Factory { public Product factoryMethod() { return new ConcreteProduct2(); } } 

JDK

4. 抽象工厂(Abstract Factory)

意图

提供一个接口,用于创建 相关的对象家族

类图

抽象工厂模式创建的是对象家族,也就是很多对象而不是一个对象,并且这些对象是相关的,也就是说必须一起创建出来。而工厂方法模式只是用于创建一个对象,这和抽象工厂模式有很大不同。

抽象工厂模式用到了工厂方法模式来创建单一对象,AbstractFactory 中的 createProductA()createProductB() 方法都是让子类来实现,这两个方法单独来看就是在创建一个对象,这符合工厂方法模式的定义。

至于创建对象的家族这一概念是在 Client 体现,Client 要通过 AbstractFactory 同时调用两个方法来创建出两个对象,在这里这两个对象就有很大的相关性,Client 需要同时创建出这两个对象。

从高层次来看,抽象工厂使用了组合,即 Client 组合了 AbstractFactory,而工厂方法模式使用了继承。

抽象工厂模式抽象工厂模式

代码实现

public class AbstractProductA {
}
public class AbstractProductB {
}
public class ProductA1 extends AbstractProductA { } 
public class ProductA2 extends AbstractProductA { } 
public class ProductB1 extends AbstractProductB { } 
public class ProductB2 extends AbstractProductB { } 
/**
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public abstract class AbstractFactory { abstract AbstractProductA createProductA(); abstract AbstractProductB createProductB(); } 
/**
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public class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory { AbstractProductA createProductA() { return new ProductA1(); } AbstractProductB createProductB() { return new ProductB1(); } } 
/**
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public class ConcreteFactory2 extends AbstractFactory { AbstractProductA createProductA() { return new ProductA2(); } AbstractProductB createProductB() { return new ProductB2(); } } 
/**
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public class Client { public static void main(String[] args) { AbstractFactory abstractFactory = new ConcreteFactory1(); AbstractProductA productA = abstractFactory.createProductA(); AbstractProductB productB = abstractFactory.createProductB(); // do something with productA and productB } } 

JDK

5. 生成器(Builder)

意图

封装一个对象的构造过程,并允许按步骤构造。

类图

生成器模式生成器模式

实现

以下是一个简易的 StringBuilder 实现,参考了 JDK 1.8 源码。

/**
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public class AbstractStringBuilder { protected char[] value; protected int count; public AbstractStringBuilder(int capacity) { count = 0; value = new char[capacity]; } public AbstractStringBuilder append(char c) { ensureCapacityInternal(count + 1); value[count++] = c; return this; } private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) { // overflow-conscious code if (minimumCapacity - value.length > 0) expandCapacity(minimumCapacity); } void expandCapacity(int minimumCapacity) { int newCapacity = value.length * 2 + 2; if (newCapacity - minimumCapacity < 0) newCapacity = minimumCapacity; if (newCapacity < 0) { if (minimumCapacity < 0) // overflow throw new OutOfMemoryError(); newCapacity = Integer.MAX_VALUE; } value = Arrays.copyOf(value, newCapacity); } } 
/**
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public class StringBuilder extends AbstractStringBuilder { public StringBuilder() { super(16); } @Override public String toString() { // Create a copy, don't share the array return new String(value, 0, count); } } 
public class Client {
    public static void main(String[] args) { StringBuilder sb = new StringBuilder(); final int count = 26; for (int i = 0; i < count; i++) { sb.append((char) ('a' + i)); } System.out.println(sb.toString()); } } 
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz

JDK

6. 原型模式(Prototype)

意图

使用原型实例指定要创建对象的类型,通过复制这个原型来创建新对象。

类图

原型模式原型模式

实现

/**
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public abstract class Prototype { abstract Prototype myClone(); } 
/**
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public class ConcretePrototype extends Prototype { private String filed; public ConcretePrototype(String filed) { this.filed = filed; } @Override Prototype myClone() { return new ConcretePrototype(filed); } @Override public String toString() { return filed; } } 
public class Client {
    public static void main(String[] args) { Prototype prototype = new ConcretePrototype("abc"); Prototype clone = prototype.myClone(); System.out.println(clone.toString()); } } 
abc

JDK

小猿刷题

  • 发表于 2020-01-15 15:40
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