设计模式在 JDK 中的具体应用与分析

一、设计模式

GOF 设计模式是面向对象设计中常见问题的可复用解决方案，通过 23 种经典模式 提供了一套标准化的设计思路，用于解决软件设计中反复出现的架构和交互问题。其核心特点包括：

• 经验驱动：源于实际项目的经验总结，非理论推导。

• 抽象化：以接口和组合替代硬编码依赖，提升灵活性。

• 解耦：分离对象创建、结构组装和行为协作，降低耦合。

1.0、设计模式原则（SOLID）

• 单一职责原则（Single Responsibility Principle）

  一个类应该只有一个发生变化的原因。

• ‌开闭原则（Open-Closed Principle, OCP）‌

  软件实体（类、模块、函数等）应该对扩展开放，对修改封闭。这意味着应该能够在不修改现有代码的情况下，让软件的行为发生变化（通常通过添加新代码来完成）。

• 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle）

  所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。

• 接口隔离原则（Interface Segregation Principle）

  1、每个接口中不存在子类用不到却必须实现的方法，如果不然，就要将接口拆分。
  2、使用多个隔离的接口，比使用单个接口（多个接口方法集合到一个的接口）要好。

• 依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle）

  1、上层模块不应该依赖底层模块，它们都应该依赖于抽象。
  2、抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。
  3、面向接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。

1.1、创建型模式（5 种）

目标： 解耦对象创建，提供灵活的对象实例化机制。

创建型模式	JDK 应用示例	实现方式与作用
单例模式	java.lang.Runtime java.awt.Desktop	饿汉式（静态初始化）或懒汉式（双重检查锁），确保全局唯一实例（如运行时环境管理）。
工厂模式	java.util.Calendar#getInstance() java.text.NumberFormat#getInstance()	通过静态方法隐藏对象创建细节，按参数返回不同子类实例（如日期格式化器）。
抽象工厂模式	javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory	定义接口创建一组相关对象（如 XML 解析器工厂生成 DocumentBuilder 和 SchemaFactory）。
建造者模式	java.lang.StringBuilder java.util.stream.Stream.Builder	分步构造复杂对象（如字符串拼接、流构建），避免构造函数参数爆炸。
原型模式	java.lang.Cloneable 接口	通过 clone() 方法复制对象（如 ArrayList 的浅拷贝），减少重复创建开销。

1.2、结构型模式（7 种）

目标： 组合对象或类，形成更大结构的灵活方案，不破坏原有结构。

结构型模式	JDK 应用示例	实现方式与作用
适配器模式	java.util.Arrays#asList() java.io.InputStreamReader	转换接口兼容性（如数组转列表、字节流转字符流），通过包装对象实现接口适配。
装饰器模式	java.io.BufferedInputStream java.util.Collections#unmodifiableList()	动态扩展功能（如缓冲读写、集合不可变化），通过嵌套包装对象叠加行为。
代理模式	java.lang.reflect.Proxy	动态代理控制访问（如 AOP 切面），拦截方法调用并增强逻辑（权限校验、日志等）。
外观模式	java.net.URL（封装网络连接细节）	简化复杂子系统调用（如 URL 统一处理协议、域名解析和流操作），日志框架SLF4J。
桥接模式	JDBC 驱动接口与实现类（如 java.sql.Driver 和 com.mysql.jdbc.Driver）	分离抽象与实现（如数据库驱动适配不同厂商），通过接口与实现类独立扩展。
组合模式	java.awt.Container#add(Component) javax.swing.JTree	统一处理树形结构（如 GUI 组件嵌套），叶子节点与容器节点共享同一接口。
享元模式	java.lang.Integer#valueOf() java.util.Collections#emptyList()	共享细粒度对象（如缓存 -128~127 的 Integer、空集合），减少内存占用。

1.3、行为型模式（11 种）

目标： 优化对象间交互与职责分配，定义通信流程和算法协作。

行为型模式	JDK 应用示例	实现方式与作用
策略模式	java.util.Comparator java.util.Arrays#sort(T[], Comparator)	封装算法族（如排序规则），运行时动态切换策略（Comparator 定义不同排序逻辑）。
模板方法模式	java.io.InputStream （read() 调用 read(byte[], int, int)）	定义算法骨架（如 IO 读取流程），子类重写特定步骤（如 read() 实现具体读取逻辑）。
观察者模式	java.util.Observable （JDK9已弃用） java.util.Observer （JDK9已弃用） java.beans.PropertyChangeSupport	订阅-通知机制（如事件监听），主题状态变化时自动通知观察者。
迭代器模式	java.util.Iterator java.util.Enumeration	统一遍历集合元素（如 List、Set），隐藏底层数据结构差异。
责任链模式	java.util.logging.Logger （日志级别过滤）	请求沿链传递（如日志处理器按级别过滤），每个节点决定处理或传递。
命令模式	java.lang.Runnable javax.swing.Action	封装请求为对象（如线程任务、GUI 操作），支持撤销、重做和队列管理。
备忘录模式	java.io.Serializable （序列化实现状态保存）	捕获对象内部状态（如对象持久化），支持回滚或恢复。
状态模式	java.util.Iterator （ArrayList.Itr 与 HashMap.EntryIterator）	对象行为随状态改变（如迭代器在不同集合中的遍历逻辑），通过状态类分离条件分支。
访问者模式	javax.lang.model.element.ElementVisitor （注解处理器）	解耦数据结构与操作（如 AST 遍历），通过 Visitor 接口扩展新操作而不修改元素类。
中介者模式	java.util.concurrent.Executor （线程池任务调度）	集中管理对象交互（如线程任务分配），减少组件间直接依赖。
解释器模式	java.util.regex.Pattern （正则表达式解析）	定义语法规则（如正则匹配），通过解释器解析和执行表达式（JDK 中较少直接使用，更多见于框架或 DSL 场景）。

二、JDK 中设计模式的应用特点

1. 性能优先：

   • 享元模式（Integer 缓存）、原型模式（Cloneable）减少对象创建开销。
   • 单例模式（Runtime）避免重复初始化核心资源。

2. 接口与实现解耦：

   • 工厂模式（Calendar）、桥接模式（JDBC）隐藏底层实现细节，支持扩展。
   • 代理模式（动态代理）分离调用逻辑与具体实现。

3. 功能动态扩展：

   • 装饰器模式（IO 流嵌套）通过组合而非继承增强功能。
   • 策略模式（Comparator）运行时切换算法逻辑。

4. 行为标准化：

   • 迭代器模式（Iterator）统一集合遍历接口。
   • 模板方法模式（InputStream）固定流程框架，子类定制细节。

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三、典型场景与源码分析

案例 1：装饰器模式（BufferedInputStream）

// 基础组件：FileInputStream
InputStream raw = new FileInputStream("xiaolingting.txt");
// 装饰器：添加缓冲功能
InputStream buffered = new BufferedInputStream(raw);
// 再次装饰：添加解压功能（假设 GZIPInputStream 是另一装饰器）
InputStream gzip = new GZIPInputStream(buffered);

• 作用：逐层包装，动态叠加缓冲、解压等功能，避免继承导致的类爆炸。

案例 2：策略模式（Arrays.sort()）

Arrays.sort(users, (u1, u2) -> u1.getAge() - u2.getAge()); // 自定义 Comparator

• 作用：将排序算法（如年龄比较）封装为策略对象，灵活替换不同比较逻辑。

案例 3：责任链模式（日志处理）

Logger logger = Logger.getLogger(Xiaolingting.Class);
logger.setLevel(Level.WARNING);
// 日志信息级别低于 WARNING 时，责任链中的处理器将忽略该消息
logger.log(Level.INFO, "This message will be filtered");

• 作用：日志消息依次经过各级处理器（如控制台输出、文件记录），根据级别决定是否处理。

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四、总结

JDK 广泛运用设计模式解决代码复用、扩展性和结构优化问题：

• 高频模式：工厂、单例、装饰器、适配器、迭代器等，注重接口抽象与功能扩展。
• 低频模式：解释器、访问者等，更多用于特定领域（如编译器、复杂业务规则）。