Java 设计模式

转自https://javadoop.com/post/design-pattern

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该系列博文会告诉你如何从入门到进阶，一步步地学习Java基础知识，并上手进行实战，接着了解每个Java知识点背后的实现原理，更完整地了解整个Java技术体系，形成自己的知识框架。为了更好地总结和检验你的学习成果，本系列文章也会提供每个知识点对应的面试题以及参考答案。

如果对本系列文章有什么建议，或者是有什么疑问的话，也可以关注公众号【Java技术江湖】联系作者，欢迎你参与本系列博文的创作和修订

## 结构型模式

前面创建型模式介绍了创建对象的一些设计模式，这节介绍的结构型模式旨在通过改变代码结构来达到解耦的目的，使得我们的代码容易维护和扩展。

### 代理模式

第一个要介绍的代理模式是最常使用的模式之一了，用一个代理来隐藏具体实现类的实现细节，通常还用于在真实的实现的前后添加一部分逻辑。

既然说是**代理**，那就要对客户端隐藏真实实现，由代理来负责客户端的所有请求。当然，代理只是个代理，它不会完成实际的业务逻辑，而是一层皮而已，但是对于客户端来说，它必须表现得就是客户端需要的真实实现。

> 理解**代理**这个词，这个模式其实就简单了。

```
public interface FoodService {
    Food makeChicken();
    Food makeNoodle();
}

public class FoodServiceImpl implements FoodService {
    public Food makeChicken() {
          Food f = new Chicken()
        f.setChicken("1kg");
          f.setSpicy("1g");
          f.setSalt("3g");
        return f;
    }
    public Food makeNoodle() {
        Food f = new Noodle();
        f.setNoodle("500g");
        f.setSalt("5g");
        return f;
    }
}

// 代理要表现得“就像是”真实实现类，所以需要实现 FoodService
public class FoodServiceProxy implements FoodService {

// 内部一定要有一个真实的实现类，当然也可以通过构造方法注入
    private FoodService foodService = new FoodServiceImpl();

public Food makeChicken() {
        System.out.println("我们马上要开始制作鸡肉了");

// 如果我们定义这句为核心代码的话，那么，核心代码是真实实现类做的，
        // 代理只是在核心代码前后做些“无足轻重”的事情
        Food food = foodService.makeChicken();

System.out.println("鸡肉制作完成啦，加点胡椒粉"); // 增强
          food.addCondiment("pepper");

return food;
    }
    public Food makeNoodle() {
        System.out.println("准备制作拉面~");
        Food food = foodService.makeNoodle();
        System.out.println("制作完成啦")
        return food;
    }
}

```

客户端调用，注意，我们要用代理来实例化接口：

```
// 这里用代理类来实例化
FoodService foodService = new FoodServiceProxy();
foodService.makeChicken();

```

![](https://javadoop.com/blogimages/design-pattern/proxy-1.png)
我们发现没有，代理模式说白了就是做 **“方法包装”** 或做 **“方法增强”**。在面向切面编程中，算了还是不要吹捧这个名词了，在 AOP 中，其实就是动态代理的过程。比如 Spring 中，我们自己不定义代理类，但是 Spring 会帮我们动态来定义代理，然后把我们定义在 @Before、@After、@Around 中的代码逻辑动态添加到代理中。

说到动态代理，又可以展开说 …… Spring 中实现动态代理有两种，一种是如果我们的类定义了接口，如 UserService 接口和 UserServiceImpl 实现，那么采用 JDK 的动态代理，感兴趣的读者可以去看看 java.lang.reflect.Proxy 类的源码；另一种是我们自己没有定义接口的，Spring 会采用 CGLIB 进行动态代理，它是一个 jar 包，性能还不错。

### 适配器模式

说完代理模式，说适配器模式，是因为它们很相似，这里可以做个比较。

适配器模式做的就是，有一个接口需要实现，但是我们现成的对象都不满足，需要加一层适配器来进行适配。

适配器模式总体来说分三种：默认适配器模式、对象适配器模式、类适配器模式。先不急着分清楚这几个，先看看例子再说。

默认适配器模式

首先，我们先看看最简单的适配器模式**默认适配器模式(Default Adapter)**是怎么样的。

我们用 Appache commons-io 包中的 FileAlterationListener 做例子，此接口定义了很多的方法，用于对文件或文件夹进行监控，一旦发生了对应的操作，就会触发相应的方法。

```
public interface FileAlterationListener {
    void onStart(final FileAlterationObserver observer);
    void onDirectoryCreate(final File directory);
    void onDirectoryChange(final File directory);
    void onDirectoryDelete(final File directory);
    void onFileCreate(final File file);
    void onFileChange(final File file);
    void onFileDelete(final File file);
    void onStop(final FileAlterationObserver observer);
}

```

此接口的一大问题是抽象方法太多了，如果我们要用这个接口，意味着我们要实现每一个抽象方法，如果我们只是想要监控文件夹中的**文件创建**和**文件删除**事件，可是我们还是不得不实现所有的方法，很明显，这不是我们想要的。

所以，我们需要下面的一个**适配器**，它用于实现上面的接口，但是**所有的方法都是空方法**，这样，我们就可以转而定义自己的类来继承下面这个类即可。

```
public class FileAlterationListenerAdaptor implements FileAlterationListener {

public void onStart(final FileAlterationObserver observer) {
    }

public void onDirectoryCreate(final File directory) {
    }

public void onDirectoryChange(final File directory) {
    }

public void onDirectoryDelete(final File directory) {
    }

public void onFileCreate(final File file) {
    }

public void onFileChange(final File file) {
    }

public void onFileDelete(final File file) {
    }

public void onStop(final FileAlterationObserver observer) {
    }
}

```

比如我们可以定义以下类，我们仅仅需要实现我们想实现的方法就可以了：

```
public class FileMonitor extends FileAlterationListenerAdaptor {
    public void onFileCreate(final File file) {
        // 文件创建
        doSomething();
    }

public void onFileDelete(final File file) {
        // 文件删除
        doSomething();
    }
}

```

当然，上面说的只是适配器模式的其中一种，也是最简单的一种，无需多言。下面，再介绍**“正统的”**适配器模式。

对象适配器模式

来看一个《Head First 设计模式》中的一个例子，我稍微修改了一下，看看怎么将鸡适配成鸭，这样鸡也能当鸭来用。因为，现在鸭这个接口，我们没有合适的实现类可以用，所以需要适配器。

```
public interface Duck {
    public void quack(); // 鸭的呱呱叫
      public void fly(); // 飞
}

public interface Cock {
    public void gobble(); // 鸡的咕咕叫
      public void fly(); // 飞
}

public class WildCock implements Cock {
    public void gobble() {
        System.out.println("咕咕叫");
    }
      public void fly() {
        System.out.println("鸡也会飞哦");
    }
}

```

鸭接口有 fly() 和 quare() 两个方法，鸡 Cock 如果要冒充鸭，fly() 方法是现成的，但是鸡不会鸭的呱呱叫，没有 quack() 方法。这个时候就需要适配了：

```
// 毫无疑问，首先，这个适配器肯定需要 implements Duck，这样才能当做鸭来用
public class CockAdapter implements Duck {

Cock cock;
    // 构造方法中需要一个鸡的实例，此类就是将这只鸡适配成鸭来用
      public CockAdapter(Cock cock) {
        this.cock = cock;
    }

// 实现鸭的呱呱叫方法
      @Override
      public void quack() {
        // 内部其实是一只鸡的咕咕叫
        cock.gobble();
    }

@Override
      public void fly() {
        cock.fly();
    }
}

```

客户端调用很简单了：

```
public static void main(String[] args) {
    // 有一只野鸡
      Cock wildCock = new WildCock();
      // 成功将野鸡适配成鸭
      Duck duck = new CockAdapter(wildCock);
      ...
}

```

到这里，大家也就知道了适配器模式是怎么回事了。无非是我们需要一只鸭，但是我们只有一只鸡，这个时候就需要定义一个适配器，由这个适配器来充当鸭，但是适配器里面的方法还是由鸡来实现的。

我们用一个图来简单说明下：

![](https://javadoop.com/blogimages/design-pattern/adapter-1.png)

上图应该还是很容易理解的，我就不做更多的解释了。下面，我们看看类适配模式怎么样的。

类适配器模式

废话少说，直接上图：

![](https://javadoop.com/blogimages/design-pattern/adapter-2.png)

看到这个图，大家应该很容易理解的吧，通过继承的方法，适配器自动获得了所需要的大部分方法。这个时候，客户端使用更加简单，直接 `Target t = new SomeAdapter();` 就可以了。

适配器模式总结

1.  类适配和对象适配的异同

> 一个采用继承，一个采用组合；
    > 
    > 类适配属于静态实现，对象适配属于组合的动态实现，对象适配需要多实例化一个对象。
    > 
    > 总体来说，对象适配用得比较多。

2.  适配器模式和代理模式的异同

比较这两种模式，其实是比较对象适配器模式和代理模式，在代码结构上，它们很相似，都需要一个具体的实现类的实例。但是它们的目的不一样，代理模式做的是增强原方法的活；适配器做的是适配的活，为的是提供“把鸡包装成鸭，然后当做鸭来使用”，而鸡和鸭它们之间原本没有继承关系。

![](https://javadoop.com/blogimages/design-pattern/adapter-5.png)

### 桥梁模式

理解桥梁模式，其实就是理解代码抽象和解耦。

我们首先需要一个桥梁，它是一个接口，定义提供的接口方法。

```
public interface DrawAPI {
   public void draw(int radius, int x, int y);
}

```

然后是一系列实现类：

```
public class RedPen implements DrawAPI {
   @Override
   public void draw(int radius, int x, int y) {
      System.out.println("用红色笔画图，radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
   }
}
public class GreenPen implements DrawAPI {
   @Override
   public void draw(int radius, int x, int y) {
      System.out.println("用绿色笔画图，radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
   }
}
public class BluePen implements DrawAPI {
   @Override
   public void draw(int radius, int x, int y) {
      System.out.println("用蓝色笔画图，radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);
   }
}

```

定义一个抽象类，此类的实现类都需要使用 DrawAPI：

```
public abstract class Shape {
   protected DrawAPI drawAPI;

protected Shape(DrawAPI drawAPI){
      this.drawAPI = drawAPI;
   }
   public abstract void draw();    
}

```

定义抽象类的子类：

```
// 圆形
public class Circle extends Shape {
   private int radius;

public Circle(int radius, DrawAPI drawAPI) {
      super(drawAPI);
      this.radius = radius;
   }

public void draw() {
      drawAPI.draw(radius, 0, 0);
   }
}
// 长方形
public class Rectangle extends Shape {
    private int x;
      private int y;

public Rectangle(int x, int y, DrawAPI drawAPI) {
        super(drawAPI);
          this.x = x;
          this.y = y;
    }
      public void draw() {
      drawAPI.draw(0, x, y);
   }
}

```

最后，我们来看客户端演示：

```
public static void main(String[] args) {
    Shape greenCircle = new Circle(10, new GreenPen());
      Shape redRectangle = new Rectangle(4, 8, new RedPen());

greenCircle.draw();
      redRectangle.draw();
}

```

可能大家看上面一步步还不是特别清晰，我把所有的东西整合到一张图上：

![](https://javadoop.com/blogimages/design-pattern/bridge-1.png)

这回大家应该就知道抽象在哪里，怎么解耦了吧。桥梁模式的优点也是显而易见的，就是非常容易进行扩展。

> 本节引用了[这里](https://www.tutorialspoint.com/design_pattern/bridge_pattern.htm)的例子，并对其进行了修改。

### 装饰模式

要把装饰模式说清楚明白，不是件容易的事情。也许读者知道 Java IO 中的几个类是典型的装饰模式的应用，但是读者不一定清楚其中的关系，也许看完就忘了，希望看完这节后，读者可以对其有更深的感悟。

首先，我们先看一个简单的图，看这个图的时候，了解下层次结构就可以了：

![](https://javadoop.com/blogimages/design-pattern/decorator-1.png)

我们来说说装饰模式的出发点，从图中可以看到，接口 `Component` 其实已经有了 `ConcreteComponentA` 和 `ConcreteComponentB` 两个实现类了，但是，如果我们要**增强**这两个实现类的话，我们就可以采用装饰模式，用具体的装饰器来**装饰**实现类，以达到增强的目的。

> 从名字来简单解释下装饰器。既然说是装饰，那么往往就是**添加小功能**这种，而且，我们要满足可以添加多个小功能。最简单的，代理模式就可以实现功能的增强，但是代理不容易实现多个功能的增强，当然你可以说用代理包装代理的方式，但是那样的话代码就复杂了。

首先明白一些简单的概念，从图中我们看到，所有的具体装饰者们 ConcreteDecorator_ 都可以作为 Component 来使用，因为它们都实现了 Component 中的所有接口。它们和 Component 实现类 ConcreteComponent_ 的区别是，它们只是装饰者，起**装饰**作用，也就是即使它们看上去牛逼轰轰，但是它们都只是在具体的实现中**加了层皮来装饰**而已。

> 注意这段话中混杂在各个名词中的 Component 和 Decorator，别搞混了。

下面来看看一个例子，先把装饰模式弄清楚，然后再介绍下 java io 中的装饰模式的应用。

最近大街上流行起来了“快乐柠檬”，我们把快乐柠檬的饮料分为三类：红茶、绿茶、咖啡，在这三大类的基础上，又增加了许多的口味，什么金桔柠檬红茶、金桔柠檬珍珠绿茶、芒果红茶、芒果绿茶、芒果珍珠红茶、烤珍珠红茶、烤珍珠芒果绿茶、椰香胚芽咖啡、焦糖可可咖啡等等，每家店都有很长的菜单，但是仔细看下，其实原料也没几样，但是可以搭配出很多组合，如果顾客需要，很多没出现在菜单中的饮料他们也是可以做的。

在这个例子中，红茶、绿茶、咖啡是最基础的饮料，其他的像金桔柠檬、芒果、珍珠、椰果、焦糖等都属于装饰用的。当然，在开发中，我们确实可以像门店一样，开发这些类：LemonBlackTea、LemonGreenTea、MangoBlackTea、MangoLemonGreenTea......但是，很快我们就发现，这样子干肯定是不行的，这会导致我们需要组合出所有的可能，而且如果客人需要在红茶中加双份柠檬怎么办？三份柠檬怎么办？万一有个变态要四份柠檬，所以这种做法是给自己找加班的。

不说废话了，上代码。

首先，定义饮料抽象基类：

```
public abstract class Beverage {
      // 返回描述
      public abstract String getDescription();
      // 返回价格
      public abstract double cost();
}

```

然后是三个基础饮料实现类，红茶、绿茶和咖啡：

```
public class BlackTea extends Beverage {
      public String getDescription() {
        return "红茶";
    }
      public double cost() {
        return 10;
    }
}
public class GreenTea extends Beverage {
    public String getDescription() {
        return "绿茶";
    }
      public double cost() {
        return 11;
    }
}
...// 咖啡省略

```

定义调料，也就是装饰者的基类，此类必须继承自 Beverage：

```
// 调料
public abstract class Condiment extends Beverage {

}

```

然后我们来定义柠檬、芒果等具体的调料，它们属于装饰者，毫无疑问，这些调料肯定都需要继承 Condiment 类：

```
public class Lemon extends Condiment {
    private Beverage bevarage;
      // 这里很关键，需要传入具体的饮料，如需要传入没有被装饰的红茶或绿茶，
      // 当然也可以传入已经装饰好的芒果绿茶，这样可以做芒果柠檬绿茶
      public Lemon(Beverage bevarage) {
        this.bevarage = bevarage;
    }
      public String getDescription() {
        // 装饰
        return bevarage.getDescription() + ", 加柠檬";
    }
      public double cost() {
          // 装饰
        return beverage.cost() + 2; // 加柠檬需要 2 元
    }
}
public class Mango extends Condiment {
    private Beverage bevarage;
      public Mango(Beverage bevarage) {
        this.bevarage = bevarage;
    }
      public String getDescription() {
        return bevarage.getDescription() + ", 加芒果";
    }
      public double cost() {
        return beverage.cost() + 3; // 加芒果需要 3 元
    }
}
...// 给每一种调料都加一个类

```

看客户端调用：

```
public static void main(String[] args) {
      // 首先，我们需要一个基础饮料，红茶、绿茶或咖啡
    Beverage beverage = new GreenTea();
      // 开始装饰
      beverage = new Lemon(beverage); // 先加一份柠檬
      beverage = new Mongo(beverage); // 再加一份芒果

System.out.println(beverage.getDescription() + " 价格：￥" + beverage.cost());
      //"绿茶, 加柠檬, 加芒果 价格：￥16"
}

```

如果我们需要芒果珍珠双份柠檬红茶：

```
Beverage beverage = new Mongo(new Pearl(new Lemon(new Lemon(new BlackTea()))));

```

是不是很变态？

看看下图可能会清晰一些：

![](https://javadoop.com/blogimages/design-pattern/decorator-2.png)

到这里，大家应该已经清楚装饰模式了吧。

下面，我们再来说说 java IO 中的装饰模式。看下图 InputStream 派生出来的部分类：

![](https://javadoop.com/blogimages/design-pattern/decorator-3.png)

我们知道 InputStream 代表了输入流，具体的输入来源可以是文件（FileInputStream）、管道（PipedInputStream）、数组（ByteArrayInputStream）等，这些就像前面奶茶的例子中的红茶、绿茶，属于基础输入流。

FilterInputStream 承接了装饰模式的关键节点，其实现类是一系列装饰器，比如 BufferedInputStream 代表用缓冲来装饰，也就使得输入流具有了缓冲的功能，LineNumberInputStream 代表用行号来装饰，在操作的时候就可以取得行号了，DataInputStream 的装饰，使得我们可以从输入流转换为 java 中的基本类型值。

当然，在 java IO 中，如果我们使用装饰器的话，就不太适合面向接口编程了，如：

```
InputStream inputStream = new LineNumberInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("")));

```

这样的结果是，InputStream 还是不具有读取行号的功能，因为读取行号的方法定义在 LineNumberInputStream 类中。

我们应该像下面这样使用：

```
DataInputStream is = new DataInputStream(
                              new BufferedInputStream(
                                  new FileInputStream("")));

```

> 所以说嘛，要找到纯的严格符合设计模式的代码还是比较难的。

### 门面模式

门面模式（也叫外观模式，Facade Pattern）在许多源码中有使用，比如 slf4j 就可以理解为是门面模式的应用。这是一个简单的设计模式，我们直接上代码再说吧。

首先，我们定义一个接口：

```
public interface Shape {
   void draw();
}

```

定义几个实现类：

```
public class Circle implements Shape {

@Override
   public void draw() {
      System.out.println("Circle::draw()");
   }
}

public class Rectangle implements Shape {

@Override
   public void draw() {
      System.out.println("Rectangle::draw()");
   }
}

```

客户端调用：

```
public static void main(String[] args) {
    // 画一个圆形
      Shape circle = new Circle();
      circle.draw();

// 画一个长方形
      Shape rectangle = new Rectangle();
      rectangle.draw();
}

```

以上是我们常写的代码，我们需要画圆就要先实例化圆，画长方形就需要先实例化一个长方形，然后再调用相应的 draw() 方法。

下面，我们看看怎么用门面模式来让客户端调用更加友好一些。

我们先定义一个门面：

```
public class ShapeMaker {
   private Shape circle;
   private Shape rectangle;
   private Shape square;

public ShapeMaker() {
      circle = new Circle();
      rectangle = new Rectangle();
      square = new Square();
   }

/**
   * 下面定义一堆方法，具体应该调用什么方法，由这个门面来决定
   */

public void drawCircle(){
      circle.draw();
   }
   public void drawRectangle(){
      rectangle.draw();
   }
   public void drawSquare(){
      square.draw();
   }
}

```

看看现在客户端怎么调用：

```
public static void main(String[] args) {
  ShapeMaker shapeMaker = new ShapeMaker();

// 客户端调用现在更加清晰了
  shapeMaker.drawCircle();
  shapeMaker.drawRectangle();
  shapeMaker.drawSquare();        
}

```

门面模式的优点显而易见，客户端不再需要关注实例化时应该使用哪个实现类，直接调用门面提供的方法就可以了，因为门面类提供的方法的方法名对于客户端来说已经很友好了。

### 组合模式

组合模式用于表示具有层次结构的数据，使得我们对单个对象和组合对象的访问具有一致性。

直接看一个例子吧，每个员工都有姓名、部门、薪水这些属性，同时还有下属员工集合（虽然可能集合为空），而下属员工和自己的结构是一样的，也有姓名、部门这些属性，同时也有他们的下属员工集合。

```
public class Employee {
   private String name;
   private String dept;
   private int salary;
   private List<Employee> subordinates; // 下属

public Employee(String name,String dept, int sal) {
      this.name = name;
      this.dept = dept;
      this.salary = sal;
      subordinates = new ArrayList<Employee>();
   }

public void add(Employee e) {
      subordinates.add(e);
   }

public void remove(Employee e) {
      subordinates.remove(e);
   }

public List<Employee> getSubordinates(){
     return subordinates;
   }

public String toString(){
      return ("Employee :[ Name : " + name + ", dept : " + dept + ", salary :" + salary+" ]");
   }   
}

```

通常，这种类需要定义 add(node)、remove(node)、getChildren() 这些方法。

这说的其实就是组合模式，这种简单的模式我就不做过多介绍了，相信各位读者也不喜欢看我写废话。

### 享元模式

英文是 Flyweight Pattern，不知道是谁最先翻译的这个词，感觉这翻译真的不好理解，我们试着强行关联起来吧。Flyweight 是轻量级的意思，享元分开来说就是 共享 元器件，也就是复用已经生成的对象，这种做法当然也就是轻量级的了。

复用对象最简单的方式是，用一个 HashMap 来存放每次新生成的对象。每次需要一个对象的时候，先到 HashMap 中看看有没有，如果没有，再生成新的对象，然后将这个对象放入 HashMap 中。

这种简单的代码我就不演示了。

### 结构型模式总结

前面，我们说了代理模式、适配器模式、桥梁模式、装饰模式、门面模式、组合模式和享元模式。读者是否可以分别把这几个模式说清楚了呢？在说到这些模式的时候，心中是否有一个清晰的图或处理流程在脑海里呢？

代理模式是做方法增强的，适配器模式是把鸡包装成鸭这种用来适配接口的，桥梁模式做到了很好的解耦，装饰模式从名字上就看得出来，适合于装饰类或者说是增强类的场景，门面模式的优点是客户端不需要关心实例化过程，只要调用需要的方法即可，组合模式用于描述具有层次结构的数据，享元模式是为了在特定的场景中缓存已经创建的对象，用于提高性能。

## 参考文章

转自https://javadoop.com/post/design-pattern

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作者是 985 硕士，蚂蚁金服 JAVA 工程师，专注于 JAVA 后端技术栈：SpringBoot、MySQL、分布式、中间件、微服务，同时也懂点投资理财，偶尔讲点算法和计算机理论基础，坚持学习和写作，相信终身学习的力量！

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初探Java设计模式2：结构型模式（代理模式，适配器模式等）

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