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Java 23种设计模式单例、原型、工厂、建造者模式 (二)

JAVA 模式设计模式工厂 23 单例原型建造

2023-09-11 14:19:28 时间

系列文章
(一) 23种设计模式之设计原则
(二) 23种设计模式之单例、原型、工厂、建造者模式
(三) 23种设计模式之代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元、组合模式

本文目录，点击跳转

一、单例模式
- 1.1懒汉式单例
- 1.2饿汉式单例
二、原型模式
三、简单工厂模式
四、工厂方法模式
五、抽象工厂模式
六、建造者模式（Bulider模式）

一、单例模式

Singleton

1.1懒汉式单例

顾名思义，程序运行时等到加载类时才会创建的单例，
缺点：
会产生线程安全问题，例如多个线程同时加载时就会产生冲突，
解决办法：
可以通过volatile同步和synchronized加锁加强线程安全性
适用范围：
线程少，单例使用频率低。

public class LazySingleton
{
    private static volatile LazySingleton instance=null;    //保证 instance 在所有线程中同步
    private LazySingleton(){}    //private 避免类在外部被实例化
    public static synchronized LazySingleton getInstance()
    {
        //getInstance 方法前加同步
        if(instance==null)
        {
            instance=new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

1.2饿汉式单例

特点：类还未加载时已经提前创建单例，内存开销大，
适用场景：
使用频率高的类，过多的懒汉式会导致项目初始化时长过高，内存开销过大。

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

二、原型模式

Prototype
原型模式用以替代创建较多相似对象，只需要实现 Cloneable 接口即可，实现后即可以clone形式创建需要大量属性配置的相似对象。

public class ProtoTypeCitation
{
    public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException
    {
        citation obj1=new citation("张三","同学：在2016学年第一学期中表现优秀，被评为三好学生。","韶关学院");
        obj1.display();
        citation obj2=(citation) obj1.clone();
        //这里创建ibj2的时候未使用new citation 方法而是使用obj1.clone
        obj2.setName("李四"); 
        obj2.display();
    }
}
//奖状类
class citation implements Cloneable
{
    String name;
    String info;
    String college;
    citation(String name,String info,String college)
    {
        this.name=name;
        this.info=info;
        this.college=college;
        System.out.println("奖状创建成功！");
    }
    void setName(String name)
    {
        this.name=name;
    }
    String getName()
    {
        return(this.name);
    }
    void display()
    {
        System.out.println(name+info+college);
    }
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException
    {
        System.out.println("奖状拷贝成功！");
        return (citation)super.clone();
    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述

三、简单工厂模式

Simple Factory
在简单工厂模式中创建实例的方法通常为静态（static）方法，因此简单工厂模式（Simple Factory Pattern）又叫作静态工厂方法模式（Static Factory Method Pattern）。

优点:

工厂类包含必要的逻辑判断，可以决定在什么时候创建哪一个产品的实例。客户端可以免除直接创建产品对象的职责，很方便的创建出相应的产品。工厂和产品的职责区分明确。
客户端无需知道所创建具体产品的类名，只需知道参数即可。
也可以引入配置文件，在不修改客户端代码的情况下更换和添加新的具体产品类。

缺点:

简单工厂模式的工厂类单一，负责所有产品的创建，职责过重，一旦异常，整个系统将受影响。且工厂类代码会非常臃肿，违背高聚合原则。
使用简单工厂模式会增加系统中类的个数（引入新的工厂类），增加系统的复杂度和理解难度
系统扩展困难，一旦增加新产品不得不修改工厂逻辑，在产品类型较多时，可能造成逻辑过于复杂
简单工厂模式使用了 static 工厂方法，造成工厂角色无法形成基于继承的等级结构。

构成：

简单工厂（SimpleFactory）：是简单工厂模式的核心，负责实现创建所有实例的内部逻辑。工厂类的创建产品类的方法可以被外界直接调用，创建所需的产品对象。
抽象产品（Product）：是简单工厂创建的所有对象的父类，负责描述所有实例共有的公共接口。
具体产品（ConcreteProduct）：是简单工厂模式的创建目标。

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        new SimpleFactory().makeProduct(Const.PRODUCT_A).show();
        new SimpleFactory().makeProduct(Const.PRODUCT_B).show();
        new SimpleFactory().makeProduct(Const.PRODUCT_C).show();
    }

    //抽象产品
    public interface Product {
        void show();
    }

    //具体产品：ProductA
    static class ConcreteProduct1 implements Product {
        public void show() {
            System.out.println("具体产品1显示...");
        }
    }

    //具体产品：ProductB
    static class ConcreteProduct2 implements Product {
        public void show() {
            System.out.println("具体产品2显示...");
        }
    }

    final class Const {
        static final int PRODUCT_A = 0;
        static final int PRODUCT_B = 1;
        static final int PRODUCT_C = 2;
    }

    static class SimpleFactory {
        public static Product makeProduct(int kind) {
            switch (kind) {
                case Const.PRODUCT_A:
                    return new ConcreteProduct1();
                case Const.PRODUCT_B:
                    return new ConcreteProduct2();
            }
            return null;
        }
    }
}

运行结果
在这里插入图片描述

图片中可以看到报错，由于简单工厂方法类static class SimpleFactory中makeProduct方法中未写入case Const.PRODUCT_B:条件

四、工厂方法模式

Factory Method
简述
简单工厂模式违背了开闭原则，而“工厂方法模式”是对简单工厂模式的进一步抽象化，其好处是可以使系统在不修改原来代码的情况下引进新的产品，即满足开闭原则。
工厂方法模式的主要角色如下：
抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，调用者通过它访问具体工厂的工厂方法 newProduct() 来创建产品。
具体工厂（ConcreteFactory）：主要是实现抽象工厂中的抽象方法，完成具体产品的创建。
抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。
具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间一一对应。

package FactoryMethod;

public class AbstractFactoryTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Product a;
            AbstractFactory af;
            af = (AbstractFactory) ReadXML1.getObject();
            a = af.newProduct();
            a.show();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

//抽象产品：提供了产品的接口
interface Product {
    public void show();
}

//具体产品1：实现抽象产品中的抽象方法
class ConcreteProduct1 implements Product {
    public void show() {
        System.out.println("具体产品1显示...");
    }
}

//具体产品2：实现抽象产品中的抽象方法
class ConcreteProduct2 implements Product {
    public void show() {
        System.out.println("具体产品2显示...");
    }
}

//抽象工厂：提供了厂品的生成方法
interface AbstractFactory {
    public Product newProduct();
}

//具体工厂1：实现了厂品的生成方法
class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory {
    public Product newProduct() {
        System.out.println("具体工厂1生成-->具体产品1...");
        return new ConcreteProduct1();
    }
}

//具体工厂2：实现了厂品的生成方法
class ConcreteFactory2 implements AbstractFactory {
    public Product newProduct() {
        System.out.println("具体工厂2生成-->具体产品2...");
        return new ConcreteProduct2();
    }
}

ReadXML1 该工具类用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象

package FactoryMethod;
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import java.io.*;

class ReadXML1 {
    //该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象
    public static Object getObject() {
        try {
            //创建文档对象
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;
            doc = builder.parse(new File("src/FactoryMethod/config1.xml"));
            //获取包含类名的文本节点
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode = nl.item(0).getFirstChild();
            String cName = "FactoryMethod." + classNode.getNodeValue();
            //System.out.println("新类名："+cName);
            //通过类名生成实例对象并将其返回
            Class<?> c = Class.forName(cName);
            Object obj = c.newInstance();
            return obj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

用到的 XML 代码

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<config>
	<className>ConcreteFactory1</className>
</config>

五、抽象工厂模式

AbstractFactory
抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本，工厂方法模式只生产一个等级的产品，而抽象工厂模式可生产多个等级的产品。
使用抽象工厂模式一般要满足以下条件。

系统中有多个产品族，每个具体工厂创建同一族但属于不同等级结构的产品。
系统一次只可能消费其中某一族产品，即同族的产品一起使用。
抽象工厂模式的构成如下：
抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，调用者通过它访问具体工厂的工厂方法 newProduct() 来创建产品。
具体工厂（ConcreteFactory）：主要是实现抽象工厂中的抽象方法，完成具体产品的创建。
抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。抽象工厂模式有多个抽象产品,
具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间一一对应。

抽象工厂：提供了产品的生成方法
示例：

interface AbstractFactory {
    public Product1 newProduct1();
    public Product2 newProduct2();
}

具体工厂：实现了产品的生成方法
示例：

class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory {
    public Product1 newProduct1() {
        System.out.println("具体工厂 1 生成-->具体产品 11...");
        return new ConcreteProduct11();
    }
    public Product2 newProduct2() {
        System.out.println("具体工厂 1 生成-->具体产品 21...");
        return new ConcreteProduct21();
    }
}

【例：用抽象工厂模式设计农场类】

package AbstractFactory;

import java.awt.*;
import javax.swing.*;

public class FarmTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Farm f;
            Animal a;
            Plant p;
            f = (Farm) ReadXML.getObject();
            a = f.newAnimal();
            p = f.newPlant();
            a.show();
            p.show();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

//抽象产品：动物类
interface Animal {
    public void show();
}

//具体产品：马类
class Horse implements Animal {
    JScrollPane sp;
    JFrame jf = new JFrame("抽象工厂模式测试");

    public Horse() {
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        JPanel p1 = new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("动物：马"));
        sp = new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/A_Horse.jpg"));
        p1.add(l1);
        jf.pack();
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);//用户点击窗口关闭
    }

    public void show() {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//具体产品：牛类
class Cattle implements Animal {
    JScrollPane sp;
    JFrame jf = new JFrame("抽象工厂模式测试");

    public Cattle() {
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        JPanel p1 = new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("动物：牛"));
        sp = new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/A_Cattle.jpg"));
        p1.add(l1);
        jf.pack();
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);//用户点击窗口关闭
    }

    public void show() {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//抽象产品：植物类
interface Plant {
    public void show();
}

//具体产品：水果类
class Fruitage implements Plant {
    JScrollPane sp;
    JFrame jf = new JFrame("抽象工厂模式测试");

    public Fruitage() {
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        JPanel p1 = new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("植物：水果"));
        sp = new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/P_Fruitage.jpg"));
        p1.add(l1);
        jf.pack();
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);//用户点击窗口关闭
    }

    public void show() {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//具体产品：蔬菜类
class Vegetables implements Plant {
    JScrollPane sp;
    JFrame jf = new JFrame("抽象工厂模式测试");

    public Vegetables() {
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        JPanel p1 = new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("植物：蔬菜"));
        sp = new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/P_Vegetables.jpg"));
        p1.add(l1);
        jf.pack();
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);//用户点击窗口关闭
    }

    public void show() {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//抽象工厂：农场类
interface Farm {
    public Animal newAnimal();

    public Plant newPlant();
}

//具体工厂：韶关农场类
class SGfarm implements Farm {
    public Animal newAnimal() {
        System.out.println("新牛出生！");
        return new Cattle();
    }

    public Plant newPlant() {
        System.out.println("蔬菜长成！");
        return new Vegetables();
    }
}

//具体工厂：上饶农场类
class SRfarm implements Farm {
    public Animal newAnimal() {
        System.out.println("新马出生！");
        return new Horse();
    }

    public Plant newPlant() {
        System.out.println("水果长成！");
        return new Fruitage();
    }
}

xml读取工具类

package AbstractFactory;

import java.awt.*;
import javax.swing.*;

public class FarmTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Farm f;
            Animal a;
            Plant p;
            f = (Farm) ReadXML.getObject();
            a = f.newAnimal();
            p = f.newPlant();
            a.show();
            p.show();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

//抽象产品：动物类
interface Animal {
    public void show();
}

//具体产品：马类
class Horse implements Animal {
    JScrollPane sp;
    JFrame jf = new JFrame("抽象工厂模式测试");

    public Horse() {
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        JPanel p1 = new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("动物：马"));
        sp = new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/A_Horse.jpg"));
        p1.add(l1);
        jf.pack();
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);//用户点击窗口关闭
    }

    public void show() {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//具体产品：牛类
class Cattle implements Animal {
    JScrollPane sp;
    JFrame jf = new JFrame("抽象工厂模式测试");

    public Cattle() {
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        JPanel p1 = new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("动物：牛"));
        sp = new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/A_Cattle.jpg"));
        p1.add(l1);
        jf.pack();
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);//用户点击窗口关闭
    }

    public void show() {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//抽象产品：植物类
interface Plant {
    public void show();
}

//具体产品：水果类
class Fruitage implements Plant {
    JScrollPane sp;
    JFrame jf = new JFrame("抽象工厂模式测试");

    public Fruitage() {
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        JPanel p1 = new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("植物：水果"));
        sp = new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/P_Fruitage.jpg"));
        p1.add(l1);
        jf.pack();
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);//用户点击窗口关闭
    }

    public void show() {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//具体产品：蔬菜类
class Vegetables implements Plant {
    JScrollPane sp;
    JFrame jf = new JFrame("抽象工厂模式测试");

    public Vegetables() {
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        JPanel p1 = new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("植物：蔬菜"));
        sp = new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/P_Vegetables.jpg"));
        p1.add(l1);
        jf.pack();
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);//用户点击窗口关闭
    }

    public void show() {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//抽象工厂：农场类
interface Farm {
    public Animal newAnimal();

    public Plant newPlant();
}

//具体工厂：韶关农场类
class SGfarm implements Farm {
    public Animal newAnimal() {
        System.out.println("新牛出生！");
        return new Cattle();
    }

    public Plant newPlant() {
        System.out.println("蔬菜长成！");
        return new Vegetables();
    }
}

//具体工厂：上饶农场类
class SRfarm implements Farm {
    public Animal newAnimal() {
        System.out.println("新马出生！");
        return new Horse();
    }

    public Plant newPlant() {
        System.out.println("水果长成！");
        return new Fruitage();
    }
}

抽象工厂模式适用场景

当需要创建的对象是一系列相互关联或相互依赖的产品族时，如电器工厂中的电视机、洗衣机、空调等。
系统中有多个产品族，但每次只使用其中的某一族产品。如有人只喜欢穿某一个品牌的衣服和鞋。
系统中提供了产品的类库，且所有产品的接口相同，客户端不依赖产品实例的创建细节和内部结构。

六、建造者模式（Bulider模式）

建造者（Builder）模式的定义：指将一个复杂对象的构造与它的表示分离，使同样的构建过程可以创建不同的表示，这样的设计模式被称为建造者模式。它是将一个复杂的对象分解为多个简单的对象，然后一步一步构建而成。它将变与不变相分离，即产品的组成部分是不变的，但每一部分是可以灵活选择的。

建造者（Builder）模式和工厂模式的关注点不同：建造者模式注重零部件的组装过程，而工厂方法模式更注重零部件的创建过程，但两者可以结合使用。

优点	缺点
封装性好，构建和表示分离。	产品的组成部分必须相同，这限制了其使用范围。
扩展性好，各个具体的建造者相互独立，有利于系统的解耦。	如果产品的内部变化复杂，如果产品内部发生变化，则建造者也要同步修改，后期维护成本较大。
客户端不必知道产品内部组成的细节，建造者可以对创建过程逐步细化，而不对其它模块产生任何影响，便于控制细节风险。

图 6.1 建造者模式结构图

6.1 模式的实现

上图给出了建造者（Builder）模式的主要结构，其相关类的代码如下。

(1) 产品角色：包含多个组成部件的复杂对象。

class Product {
    private String partA;
    private String partB;
    private String partC;

    public void setPartA(String partA) {
        this.partA = partA;
    }

    public void setPartB(String partB) {
        this.partB = partB;
    }

    public void setPartC(String partC) {
        this.partC = partC;
    }

    public void show() {
        //显示产品的特性
    }
}

(2) 抽象建造者：包含创建产品各个子部件的抽象方法。

abstract class Builder {
    //创建产品对象
    protected Product product = new Product();

    public abstract void buildPartA();

    public abstract void buildPartB();

    public abstract void buildPartC();

    //返回产品对象
    public Product getResult() {
        return product;
    }
}

(3) 具体建造者：实现了抽象建造者接口。

public class ConcreteBuilder extends Builder {
    public void buildPartA() {
        product.setPartA("建造 PartA");
    }

    public void buildPartB() {
        product.setPartB("建造 PartB");
    }

    public void buildPartC() {
        product.setPartC("建造 PartC");
    }
}

(4) 指挥者：调用建造者中的方法完成复杂对象的创建。

class Director {
    private Builder builder;
    public Director(Builder builder) {
        this.builder = builder;
    }
    //产品构建与组装方法
    public Product construct() {
        builder.buildPartA();
        builder.buildPartB();
        builder.buildPartC();
        return builder.getResult();
    }
}

(5) 客户类。

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Builder builder = new ConcreteBuilder();
        Director director = new Director(builder);
        Product product = director.construct();
        product.show();
    }
}

6.2 模式的应用场景

建造者模式唯一区别于工厂模式的是针对复杂对象的创建。也就是说，如果创建简单对象，通常都是使用工厂模式进行创建，而如果创建复杂对象，就可以考虑使用建造者模式。

当需要创建的产品具备复杂创建过程时，可以抽取出共性创建过程，然后交由具体实现类自定义创建流程，使得同样的创建行为可以生产出不同的产品，分离了创建与表示，使创建产品的灵活性大大增加。

建造者模式主要适用于以下应用场景：

相同的方法，不同的执行顺序，产生不同的结果。
多个部件或零件，都可以装配到一个对象中，但是产生的结果又不相同。
产品类非常复杂，或者产品类中不同的调用顺序产生不同的作用。
初始化一个对象特别复杂，参数多，而且很多参数都具有默认值。

6.3 建造者模式和工厂模式的区别

建造者模式更加注重方法的调用顺序，工厂模式注重创建对象。
创建对象的力度不同，建造者模式创建复杂的对象，由各种复杂的部件组成，工厂模式创建出来的对象都一样
关注重点不一样，工厂模式只需要把对象创建出来就可以了，而建造者模式不仅要创建出对象，还要知道对象由哪些部件组成。
建造者模式根据建造过程中的顺序不一样，最终对象部件组成也不一样。

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1.1懒汉式单例

1.2饿汉式单例

二、原型模式

三、简单工厂模式

四、工厂方法模式

五、抽象工厂模式

六、建造者模式（Bulider模式）

6.1 模式的实现

(1) 产品角色：包含多个组成部件的复杂对象。

(2) 抽象建造者：包含创建产品各个子部件的抽象方法。

(3) 具体建造者：实现了抽象建造者接口。

(4) 指挥者：调用建造者中的方法完成复杂对象的创建。

(5) 客户类。

6.2 模式的应用场景

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(2) 抽象建造者：包含创建产品各个子部件的抽象方法。

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