Design Mode 之 创建模式
A、创建模式
首先,简单工厂模式不属于24种涉及模式。
A0、简单工厂模式
简单工厂模式,分为三种:普通简单工厂、多方法简单工厂、静态方法简单工厂。
A01、普通
就是建立一个工厂类,对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。首先看下关系图:
举例如下:(我们举一个发送邮件和短信的例子)
首先,创建二者的共同接口:
public interface ISender
{
string Send();
}
其次,创建实现类:
public class EmailSender:ISender
{
public string Send()
{
return "这里发送邮件!";
}
}
public class SmsSender:ISender
{
public string Send()
{
return "这里发送短信!";
}
}
最后,建工厂类:
public class SenderFactory
{
public ISender GetSenderByType(string type)
{
ISender sender = null;
switch (type)
{
case "email":
sender = new EmailSender();
break;
case "sms":
sender = new SmsSender();
break;
default:
sender = null;
break;
}
return sender;
}
}
测试如下:
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
SenderFactory fac = new SenderFactory();
ISender sender = fac.GetSenderByType("email");
if (sender == null)
{
Console.Write("类型不正确!");
}
string strRel = sender.Send();
Console.Write(strRel);
}
}
输出:这里发送邮件!
A02、多个方法
多方法简单工厂是对普通工厂方法模式的改进,在普通工厂方法模式中,如果传递的字符串出错,则不能正确创建对象,而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法,分别创建对象。关系图:
将上面的代码做下修改,改动下SendFactory类就行,如下:
public class SenderFactory
{
public ISender GetEmailSender()
{
ISender sender = new EmailSender();
return sender;
} public ISender GetSmsSender()
{
ISender sender = new SmsSender();
return sender;
}
}
测试类如下:
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
SenderFactory fac = new SenderFactory();
ISender sender = fac.GetEmailSender();
string strRel = sender.SendMessage();
Console.Write(strRel);
}
}
输出:这里发送邮件!
A03、多个静态方法
将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的,不需要创建实例,直接调用即可。
public class SenderFactory
{
public static ISender GetEmailSender()
{
ISender sender = new EmailSender();
return sender;
} public static ISender GetSmsSender()
{
ISender sender = new SmsSender();
return sender;
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ISender sender = SenderFactory.GetEmailSender();
string strRel = sender.SendMessage();
Console.Write(strRel);
}
}
输出:SenderFactory
总体来说,简单工厂模式适合:凡是出现了大量的产品需要创建,并且具有共同的接口时,可以通过工厂方法模式进行创建。在以上的三种模式中,第一种如果传入的字符串有误,不能正确创建对象,第三种相对于第二种,不需要实例化工厂类,所以,大多数情况下,我们会选用第三种——静态简单工厂方法模式。
A1、工厂方法模式(Factory Method)
简单工厂模式有一个问题就是,类的创建依赖工厂类,也就是说,如果想要拓展程序,必须对工厂类进行修改,这违背了开闭原则。所以,就有了工厂方法模式,创建一个工厂接口和创建多个工厂实现类,这样一旦需要增加新的功能,直接增加新的工厂类就可以了,不需要修改之前的代码。
定义:工厂方法模式(Factory Method),定义一个用于创建对象的接口,让子类决定实例化哪一个类。工厂方法使一个类的实例化延迟到其子类。
Factory Method Mode 结构图
将简单工厂模式的工厂类修改如下:
public interface IFactory
{
ISender GetSender();
}
两个实现类:
public class EmailSenderFactory:IFactory
{
public ISender GetSender()
{
ISender sender = new EmailSender();
return sender;
}
}
public class SmsSenderFactory : IFactory
{
public ISender GetSender()
{
ISender sender = new SmsSender();
return sender;
}
}
测试如下:
static void Main(string[] args)
{
IFactory fac = new EmailSenderFactory();
ISender sender = fac.GetSender();
string strRel = sender.SendMessage();
Console.Write(strRel);
}
注意:工厂方法模式实现时,客户端需要决定实例化哪一个工厂来实现运算 类,选择判断的问题还是存在的,也就是说,工厂方法把简单工厂的内部逻辑判断移到了客户端代码来 进行。你想要加功能,本来是改工厂类的,而现在是修改客户端。
2、抽象工厂模式
定义:抽象工厂模式(Abstract Factory),提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口,而无需指定它们具体的类。
工厂方法模式和抽象工厂模式不好分清楚,他们的区别如下:
(1)工厂方法模式:
一个抽象产品类,可以派生出多个具体产品类。
一个抽象工厂类,可以派生出多个具体工厂类。
每个具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例。
(2)抽象工厂模式:
多个抽象产品类,每个抽象产品类可以派生出多个具体产品类。
一个抽象工厂类,可以派生出多个具体工厂类。
每个具体工厂类可以创建多个具体产品类的实例,也就是创建的是一个产品线下的多个产品。
区别: 工厂方法模式只有一个抽象产品类,而抽象工厂模式有多个。 工厂方法模式的具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例,而抽象工厂模式可以创建多个。
工厂方法创建 "一种" 产品,他的着重点在于"怎么创建",也就是说如果你开发,你的大量代码很可能围绕着这种产品的构造,初始化这些细节上面。也因为如此,类似的产品之间有很多可以复用的特征,所以会和模版方法相随。
抽象工厂需要创建一系列产品,着重点在于"创建哪些"产品上,也就是说,如果你开发,你的主要任务是划分不同差异的产品线,并且尽量保持每条产品线接口一致,从而可以从同一个抽象工厂继承。
对于C#来说,你能见到的大部分抽象工厂模式都是这样的:
它的里面是一堆工厂方法,每个工厂方法返回某种类型的对象。
比如说工厂可以生产鼠标和键盘。那么抽象工厂的实现类(它的某个具体子类)的对象都可以生产鼠标和键盘,但可能工厂A生产的是罗技的键盘和鼠标,工厂B是微软的。
这样A和B就是工厂,对应于抽象工厂;
每个工厂生产的鼠标和键盘就是产品,对应于工厂方法;
用了工厂方法模式,你替换生成键盘的工厂方法,就可以把键盘从罗技换到微软。但是用了抽象工厂模式,你只要换家工厂,就可以同时替换鼠标和键盘一套。如果你要的产品有几十个,当然用抽象工厂模式一次替换全部最方便(这个工厂会替你用相应的工厂方法)
所以说抽象工厂就像工厂,而工厂方法则像是工厂的一种产品生产线
A3、单例模式(Singleton)
单例对象(Singleton)是一种常用的设计模式。在Java应用中,单例对象能保证在一个JVM中,该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处:
1、某些类创建比较频繁,对于一些大型的对象,这是一笔很大的系统开销。
2、省去了new操作符,降低了系统内存的使用频率,减轻GC压力。
3、有些类如交易所的核心交易引擎,控制着交易流程,如果该类可以创建多个的话,系统完全乱了。(比如一个军队出现了多个司令员同时指挥,肯定会乱成一团),所以只有使用单例模式,才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。
首先我们写一个简单的单例类:
- public class Singleton {
- /* 持有私有静态实例,防止被引用,此处赋值为null,目的是实现延迟加载 */
- private static Singleton instance = null;
- /* 私有构造方法,防止被实例化 */
- private Singleton() {
- }
- /* 静态工程方法,创建实例 */
- public static Singleton getInstance() {
- if (instance == null) {
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
- /* 如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致 */
- public Object readResolve() {
- return instance;
- }
- }
这个类可以满足基本要求,但是,像这样毫无线程安全保护的类,如果我们把它放入多线程的环境下,肯定就会出现问题了,如何解决?我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字,如下:
- public static synchronized Singleton getInstance() {
- if (instance == null) {
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
但是,synchronized关键字锁住的是这个对象,这样的用法,在性能上会有所下降,因为每次调用getInstance(),都要对对象上锁,事实上,只有在第一次创建对象的时候需要加锁,之后就不需要了,所以,这个地方需要改进。我们改成下面这个:
- public static Singleton getInstance() {
- if (instance == null) {
- synchronized (instance) {
- if (instance == null) {
- instance = new Singleton();
- }
- }
- }
- return instance;
- }
似乎解决了之前提到的问题,将synchronized关键字加在了内部,也就是说当调用的时候是不需要加锁的,只有在instance为null,并创建对象的时候才需要加锁,性能有一定的提升。但是,这样的情况,还是有可能有问题的,看下面的情况:在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的,也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序,也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间,然后直接赋值给instance成员,然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了,我们以A、B两个线程为例:
a>A、B线程同时进入了第一个if判断
b>A首先进入synchronized块,由于instance为null,所以它执行instance = new Singleton();
c>由于JVM内部的优化机制,JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存,并赋值给instance成员(注意此时JVM没有开始初始化这个实例),然后A离开了synchronized块。
d>B进入synchronized块,由于instance此时不是null,因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
e>此时B线程打算使用Singleton实例,却发现它没有被初始化,于是错误发生了。
所以程序还是有可能发生错误,其实程序在运行过程是很复杂的,从这点我们就可以看出,尤其是在写多线程环境下的程序更有难度,有挑战性。我们对该程序做进一步优化:
- private static class SingletonFactory{
- private static Singleton instance = new Singleton();
- }
- public static Singleton getInstance(){
- return SingletonFactory.instance;
- }
实际情况是,单例模式使用内部类来维护单例的实现,JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候,这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候,JVM能够帮我们保证instance只被创建一次,并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕,这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制,这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式:
- public class Singleton {
- /* 私有构造方法,防止被实例化 */
- private Singleton() {
- }
- /* 此处使用一个内部类来维护单例 */
- private static class SingletonFactory {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- }
- /* 获取实例 */
- public static Singleton getInstance() {
- return SingletonFactory.instance;
- }
- /* 如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致 */
- public Object readResolve() {
- return getInstance();
- }
- }
其实说它完美,也不一定,如果在构造函数中抛出异常,实例将永远得不到创建,也会出错。所以说,十分完美的东西是没有的,我们只能根据实际情况,选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现:因为我们只需要在创建类的时候进行同步,所以只要将创建和getInstance()分开,单独为创建加synchronized关键字,也是可以的:
- public class SingletonTest {
- private static SingletonTest instance = null;
- private SingletonTest() {
- }
- private static synchronized void syncInit() {
- if (instance == null) {
- instance = new SingletonTest();
- }
- }
- public static SingletonTest getInstance() {
- if (instance == null) {
- syncInit();
- }
- return instance;
- }
- }
考虑性能的话,整个程序只需创建一次实例,所以性能也不会有什么影响。
补充:采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新
- public class SingletonTest {
- private static SingletonTest instance = null;
- private Vector properties = null;
- public Vector getProperties() {
- return properties;
- }
- private SingletonTest() {
- }
- private static synchronized void syncInit() {
- if (instance == null) {
- instance = new SingletonTest();
- }
- }
- public static SingletonTest getInstance() {
- if (instance == null) {
- syncInit();
- }
- return instance;
- }
- public void updateProperties() {
- SingletonTest shadow = new SingletonTest();
- properties = shadow.getProperties();
- }
- }
通过单例模式的学习告诉我们:
1、单例模式理解起来简单,但是具体实现起来还是有一定的难度。
2、synchronized关键字锁定的是对象,在用的时候,一定要在恰当的地方使用(注意需要使用锁的对象和过程,可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁)。
到这儿,单例模式基本已经讲完了,结尾处,笔者突然想到另一个问题,就是采用类的静态方法,实现单例模式的效果,也是可行的,此处二者有什么不同?
首先,静态类不能实现接口。(从类的角度说是可以的,但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法,所以即使实现了也是非静态的)
其次,单例可以被延迟初始化,静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载,是因为有些类比较庞大,所以延迟加载有助于提升性能。
再次,单例类可以被继承,他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static,无法被覆写。
最后一点,单例类比较灵活,毕竟从实现上只是一个普通的Java类,只要满足单例的基本需求,你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能,但是静态类不行。从上面这些概括中,基本可以看出二者的区别,但是,从另一方面讲,我们上面最后实现的那个单例模式,内部就是用一个静态类来实现的,所以,二者有很大的关联,只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合,才能造就出完美的解决方案,就像HashMap采用数组+链表来实现一样,其实生活中很多事情都是这样,单用不同的方法来处理问题,总是有优点也有缺点,最完美的方法是,结合各个方法的优点,才能最好的解决问题!
A4、建造者模式(Builder)
将一个复杂对象的构建与它的表示分离,使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
主要是用于创建一些复杂的对象,这些对象内部构建间的建造顺序通常是稳定的,但对象内部 的构建通常面临着复杂的变化。
建造者模式的好处就是使得建造代码与表示代码分离,由于建造者隐藏了该产品是如 何组装的,所以若需要改变一个产品的内部表示,只需要再定义一个具体的建造者就可以了。
A5、原型模式(Prototype)
原型模式虽然是创建型的模式,但是与工程模式没有关系,从名字即可看出,该模式的思想就是将一个对象作为原型,对其进行复制、克隆,产生一个和原对象类似的新对象。本小结会通过对象的复制,进行讲解。在Java中,复制对象是通过clone()实现的,先创建一个原型类:
- public class Prototype implements Cloneable {
- public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
- Prototype proto = (Prototype) super.clone();
- return proto;
- }
- }
很简单,一个原型类,只需要实现Cloneable接口,覆写clone方法,此处clone方法可以改成任意的名称,因为Cloneable接口是个空接口,你可以任意定义实现类的方法名,如cloneA或者cloneB,因为此处的重点是super.clone()这句话,super.clone()调用的是Object的clone()方法,而在Object类中,clone()是native的,具体怎么实现,我会在另一篇文章中,关于解读Java中本地方法的调用,此处不再深究。在这儿,我将结合对象的浅复制和深复制来说一下,首先需要了解对象深、浅复制的概念:
浅复制:将一个对象复制后,基本数据类型的变量都会重新创建,而引用类型,指向的还是原对象所指向的。
深复制:将一个对象复制后,不论是基本数据类型还有引用类型,都是重新创建的。简单来说,就是深复制进行了完全彻底的复制,而浅复制不彻底。
此处,写一个深浅复制的例子:
- public class Prototype implements Cloneable, Serializable {
- private static final long serialVersionUID = 1L;
- private String string;
- private SerializableObject obj;
- /* 浅复制 */
- public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
- Prototype proto = (Prototype) super.clone();
- return proto;
- }
- /* 深复制 */
- public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
- /* 写入当前对象的二进制流 */
- ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
- ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
- oos.writeObject(this);
- /* 读出二进制流产生的新对象 */
- ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
- ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
- return ois.readObject();
- }
- public String getString() {
- return string;
- }
- public void setString(String string) {
- this.string = string;
- }
- public SerializableObject getObj() {
- return obj;
- }
- public void setObj(SerializableObject obj) {
- this.obj = obj;
- }
- }
- class SerializableObject implements Serializable {
- private static final long serialVersionUID = 1L;
- }
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