设计模式

GPT摘要

本文主要介绍了面向对象设计中的五大原则（SOLID）以及几种常见的设计模式，包括策略模式、观察者模式、装饰者模式、单例模式、状态模式、模板方法模式和责任链模式。 五大设计原则： 1. 单一职责原则：每个类只负责单一功能，提升可维护性。 2. 开放封闭原则：通过扩展而非修改来增强功能，提高扩展性。 3. 里氏替换原则：子类应能完全替代父类而不影响程序。 4. 接口隔离原则：细化接口，避免依赖不必要的方法。 5. 依赖倒置原则：依赖于抽象而非具体实现，实现松耦合。 核心设计模式： - 策略模式：封装可变算法到独立策略对象，使算法可互换（如排序算法的灵活切换）。 - 观察者模式：建立一对多依赖，主题变化时自动通知所有观察者（如订单状态更新通知多模块）。 - 装饰者模式：通过包装对象动态扩展功能，避免继承膨胀（如Java I/O流的多层包装）。 - 单例模式：确保全局唯一实例，提供可控访问（数据库连接池等资源共享场景）。 - 状态模式：对象行为随内部状态改变（如订单状态流转对应不同操作）。 - 模板方法模式：定义算法骨架，子类实现具体步骤（如统一服务流程模板）。 - 责任链模式：请求沿处理链传递直至被处理（如多级审批或折扣策略链）。 关键实现方法均包含抽象接口定义、具体实现类及上下文管理，通过组合优于继承的方式提升系统灵活性和可维护性。每种模式通过示例代码（如咖啡订单装饰、订单状态机等）直观展示了应用场景和实现要点。

SOLID

  1. 单一职责原则（Single Responsibility Principle，SRP）：一个类只负责单一的功能，避免一个类承担过多的职责，从而提高代码的可维护性。
  2. 开放封闭原则（Open Closed Principle，OCP）：软件实体应该对扩展开放，对修改关闭，也就是说，应该通过增加代码而不是修改代码来扩展软件功能，从而提高代码的可维护性和扩展性。
  3. 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）：子类应该能够替换父类并且不影响程序的正确性，也就是说，子类必须能够完全实现父类的功能，从而提高代码的可扩展性。
  4. 接口隔离原则（Interface Segregation Principle，ISP）：客户端不应该依赖于它不需要的接口，也就是说，应该尽量将接口细化，将不同的功能分离开来，从而提高代码的灵活性和可复用性。
  5. 依赖倒置原则（Dependency Inversion Principle，DIP）：高层模块不应该依赖于低层模块，它们应该依赖于抽象，而不是具体实现，也就是说，应该通过接口或者抽象类来实现模块之间的松耦合，从而提高代码的可维护性和可扩展性。

找出会变的地方，把他们从不变的地方抽离出来（策略模式运用了）

策略模式

将不同的算法或行为封装成独立的策略对象，使它们可以相互替换，从而使系统更加灵活和可扩展。

提高代码的可复用性和可维护性:

  • 如果每一个上下文都有该方法，我只需要设置成员变量即可，代码都写在策略中。不同的策略实现不同的方法
    • 如果使用继承去获得该策略，那么有的上下文他不需要(有的鸭子不会叫)就需要覆盖
    • 如果使用接口，接口可以扩展上下文，但每一个上下文都需要实现同样的方法，代码没有复用
    • 拉取出变化的部分，重新建立一个类，并针对接口编程。最后把拉出来的作为成员变量插入

实现过程：

  1. 策略接口：定义一个抽象策略接口，该接口定义了算法的公共方法。(Fly)
  2. 具体策略：然后针对每种算法，创建一个具体的策略类，实现该接口。(FlyWings、NoWay)
  3. 环境类：最后，我们还需要创建一个上下文类，该类包含一个策略成员变量，可以在运行时设置具体的策略。
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// 抽象策略接口
interface SortingStrategy {
    void sort(int[] array);
}

// 具体策略类1
class BubbleSort implements SortingStrategy {
    public void sort(int[] array) {
        // Bubble sort implementation
    }
}

// 具体策略类2
class QuickSort implements SortingStrategy {
    public void sort(int[] array) {
        // Quick sort implementation
    }
}

// 上下文类
class SortingContext {
    private SortingStrategy strategy;

    public void setStrategy(SortingStrategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void sort(int[] array) {
        strategy.sort(array);
    }
}

// 客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {5, 2, 8, 4, 7};
        SortingContext context = new SortingContext();

        // 使用冒泡排序
        context.setStrategy(new BubbleSort());
        context.sort(array);

        // 使用快速排序
        context.setStrategy(new QuickSort());
        context.sort(array);
    }
}

观察者模式

一(主题)对多(观察者)；主题变化时需要通知所有人

普通写法：

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{
	person1.update();
	person2.update();
    ...
    // 如果加入新对象，该函数代码需要进行修改
}

观察者模式：定义一个数组保存全部Observe，观察者在创建时加入主题数组，主题在变化时通知数组全部人

​ 我想要数组中每一个不同的观察者统一调用同一个函数，自然而然想到使用接口。

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// 主题接口
interface Subject {
    void registerObserver(Observer observer);  // 注册观察者
    void removeObserver(Observer observer);    // 移除观察者
    void notifyObservers();                    // 通知观察者
    // 具体实现
    @Override
    public void notifyObservers() {
        for (Observer observer : observers) { // 通知所有人
            observer.update(temperature, humidity, pressure);
        }
    }
}


// 观察者接口
interface Observer {
    void update(float temperature, float humidity, float pressure);  // 更新状态
}
// 具体的观察者类
class CurrentConditionsDisplay implements Observer {
    private float temperature;
    private float humidity;
    private Subject weatherData;

    public CurrentConditionsDisplay(Subject weatherData) {
        this.weatherData = weatherData;
        weatherData.registerObserver(this); // 注册加入
    }

”趣学架构“中的非主链路的统计、打点，使用观察者模式实现

装饰者模式

装饰器类将对象包装，通过构造函数传递给装饰器；装饰器和被装饰对象需要实现相同的接口，并在实现中进行叠加

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public Decorator(Beverage beverage) {
	this.beverage = beverage; // 构造函数传递被装饰对象
}
public double getCost() {
	return beverage.getCost() + 0.10;  // 叠加使用
}
  • 允许你在运行时动态地扩展一个对象的功能。
  • 组合而非继承
  • 包装原始对象而不影响其原始结构和行为(通过成员变量引用访问到原始对象has-a的关系)
  1. 抽象组件（Component）：定义了被装饰者和装饰者的共同接口。
  2. 具体组件（ConcreteComponent）：实现了抽象组件接口，并定义了被装饰者的基本行为。
  3. 抽象装饰者（Decorator）：定义了装饰者的接口，并持有一个被装饰者的引用。has-a
  4. 具体装饰者（ConcreteDecorator）：实现了抽象装饰者的接口，并向被装饰者添加新的行为和责任。

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// 抽象组件
interface Beverage {
    String getDescription();
    double getCost();
}

// 具体组件
class Espresso implements Beverage {
    public String getDescription() {
        return "Espresso";
    }

    public double getCost() {
        return 1.99;
    }
}

// 装饰者
abstract class CondimentDecorator implements Beverage {
    protected Beverage beverage;

    public CondimentDecorator(Beverage beverage) {
        this.beverage = beverage;
    }

    public String getDescription() {
        return beverage.getDescription();
    }

    public abstract double getCost();
}

// 具体装饰者
class Milk extends CondimentDecorator {
    public Milk(Beverage beverage) {
        super(beverage);
    }

    public String getDescription() {
        return beverage.getDescription() + ", Milk";
    }

    public double getCost() {
        return beverage.getCost() + 0.10;
    }
}

class Mocha extends CondimentDecorator {
    public Mocha(Beverage beverage) {
        super(beverage);
    }

    public String getDescription() {
        return beverage.getDescription() + ", Mocha";
    }

    public double getCost() {
        return beverage.getCost() + 0.20;
    }
}

// 测试代码
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Beverage beverage = new Espresso();
        System.out.println(beverage.getDescription() + " $" + beverage.getCost());

        Beverage beverage2 = new Espresso();
        beverage2 = new Milk(beverage2);
        beverage2 = new Mocha(beverage2);
        System.out.println(beverage2.getDescription() + " $" + beverage2.getCost());
    }
}

// 在此基础上，我还想添加满减、九折等，同样是定义一个ConcreteDecorator即可  beverage.getCost()*0.9

Java I/O库

SQL查询通常由多个组件构成，如SELECT、FROM、WHERE、JOIN等。我们可以使用装饰者模式来构建这些组件，并动态地添加额外的功能，例如缓存、日志记录等。 Filter 和 SeqScan的关系

单例模式

全局变量可以提供全局访问，但不能确保唯一。

public的类，但private的构造方法，通过static方法访问private构造方法，构造一个static变量

饿汉模式

全局直接初始化

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public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

懒汉模式

synchronized

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public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

双重检查

volatile：强制立即写入内存，并强制内存读取，而不是缓存

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public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

享元模式

共享对象来减少内存使用和提高性能

字符串池、Integer常量池、数据库连接池

状态模式

当一个对象的行为取决于其状态，并且它必须在运行时根据状态改变其行为时。

订单处理系统：订单有多种状态，如新建订单、已支付、已发货、已收货、已完成等。每种状态下，订单可以执行的操作都可能不同。

以下是一个基于Java的状态模式示例：

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// 状态接口
interface OrderState {
    void next(Order order);
    void prev(Order order);
    void printStatus();
}

// 具体状态类
class New implements OrderState {
    public void next(Order order) {
        order.setState(new Paid());
    }

    public void prev(Order order) {
        System.out.println("The order is in its root state.");
    }

    public void printStatus() {
        System.out.println("New order.");
    }
}

class Paid implements OrderState {
    public void next(Order order) {
        order.setState(new Shipped());
    }

    public void prev(Order order) {
        order.setState(new New());
    }

    public void printStatus() {
        System.out.println("Order paid.");
    }
}

class Shipped implements OrderState {
    public void next(Order order) {
        order.setState(new Delivered());
    }

    public void prev(Order order) {
        order.setState(new Paid());
    }

    public void printStatus() {
        System.out.println("Order shipped.");
    }
}

class Delivered implements OrderState {
    public void next(Order order) {
        System.out.println("This order is already delivered.");
    }

    public void prev(Order order) {
        order.setState(new Shipped());
    }

    public void printStatus() {
        System.out.println("Order delivered.");
    }
}

// 上下文类
class Order {
    private OrderState state;

    public Order() {
        this.state = new New();
    }

    public void setState(OrderState state) {
        this.state = state;
    }

    public void next() {
        state.next(this);
    }

    public void prev() {
        state.prev(this);
    }

    public void printStatus() {
        state.printStatus();
    }
}

// 客户端代码
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Order order = new Order();

        order.printStatus();  // 输出: New order.

        order.next();
        order.printStatus();  // 输出: Order paid.

        order.next();
        order.printStatus();  // 输出: Order shipped.

        order.prev();
        order.printStatus();  // 输出: Order paid.
    }
}

在这个例子中，OrderState接口定义了next、prev和printStatus三个方法，表示订单的下一个状态、上一个状态和打印当前状态。New、Paid、Shipped和Delivered类分别实现了OrderState接口，代表了订单的四种状态。Order类就是所谓的上下文，它持有一个OrderState对象，代表当前的状态。

模板方法模式

定义一个操作中的骨架，标准化流程

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import com.google.common.base.Stopwatch;
import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public abstract class ServiceTemplate<T, R> {
    private final Logger logger = new LoggerImpl();

    /**
     * 模板统一暴露执行入口
     */
    public R process(T request) {
        // 1.打印入口日志
        logger.info("start invoke, request=" + request);
        // 开始计时，用于日志记录耗时
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        try {
            // 2. 校验参数
            validParam(request);
            // 3. 子类实现逻辑
            R response = doProcess(request);
            // 4.打印出口日志
            long timeCost = stopwatch.elapsed(TimeUnit.MILLISECONDS);
            logger.info("end invoke, response=" + response + ", costTime=" + timeCost);
            return response;
        } catch (Exception e) {
            // 打印异常日志
            logger.error("error invoke, exception:" + Arrays.toString(e.getStackTrace()));
            return null;
        }
    }

    /**
     * 参数校验(交给子类实现)
     */
    protected abstract void validParam(T request);

    /**
     * 执行业务逻辑(交给子类实现)
     */
    protected abstract R doProcess(T request);
}

责任链

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责任链：沿着这条链传递请求，直到有一个对象处理它为止，具体由哪个对象处理则在运行时动态决定的情况。

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abstract class Handler {
    protected Handler successor;

    public void setSuccessor(Handler successor) {
        this.successor = successor;
    }

    public abstract void handleRequest(double amount);
}

class NoDiscountHandler extends Handler {
    public void handleRequest(double amount) {
        System.out.println("No discount applied.");
    }
}

class LowDiscountHandler extends Handler {
    public void handleRequest(double amount) {
        if (amount < 1000) {
            System.out.println("Low discount applied. Amount: " + amount);
        } else if (successor != null) {
            successor.handleRequest(amount);
        }
    }
}

class HighDiscountHandler extends Handler {
    public void handleRequest(double amount) {
        if (amount >= 1000) {
            System.out.println("High discount applied. Amount: " + amount);
        } else if (successor != null) {
            successor.handleRequest(amount);
        }
    }
}

class HandlerChain {
    private Handler head;
    private Handler tail;

    public HandlerChain add(Handler handler) {
        if (head == null) {
            head = handler;
            tail = handler;
        } else {
            tail.setSuccessor(handler);
            tail = handler;
        }
        return this;
    }

    public void handleRequest(double amount) {
        if (head != null) {
            head.handleRequest(amount);
        }
    }
}

public class ChainDemo {
    public static void main(String[] args) {
        HandlerChain chain = new HandlerChain();
        chain.add(new LowDiscountHandler())
             .add(new HighDiscountHandler())
             .add(new NoDiscountHandler());

        // Making requests
        chain.handleRequest(500);
        chain.handleRequest(1500);
    }
}

流程引擎

见 ”趣学架构“