Java23种设计模式介绍与说明

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一、分类与核心模式

1. 创建型模式（5种）
目的：解决对象创建的复杂性，隐藏创建细节，提高代码复用性。

• 单例模式（Singleton）
  • 功能：确保一个类只有一个实例，提供全局访问点。
  • 实现：
    • 饿汉式：类加载时初始化，线程安全但可能浪费内存（如private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();）。
    • 懒汉式：延迟加载，需同步锁保证线程安全（如synchronized getInstance()）。
    • 双重校验锁：减少同步开销（如volatile关键字确保可见性）。
    • 枚举式：最安全的实现，天然防止反射攻击（如public enum Singleton { INSTANCE; }）。
  • 场景：全局配置、线程池、数据库连接池。
  • 原则：开闭原则，依赖倒置。
• 工厂方法模式（Factory Method）
  • 功能：定义接口，由子类决定实例化对象。
  • 实现：抽象工厂类定义create()方法，子类实现具体逻辑。
  • 场景：动态创建对象（如邮件/短信发送器）。
  • 原则：开闭原则，依赖倒置。
• 抽象工厂模式（Abstract Factory）
  • 功能：创建相关对象的家族，提供统一接口。
  • 实现：抽象工厂接口定义多个产品族的创建方法。
  • 场景：跨平台UI组件（如Windows/Mac风格）。
  • 原则：合成复用，接口隔离。
• 建造者模式（Builder）
  • 功能：分步骤构建复杂对象，分离构建与表示。
  • 实现：Director类控制流程，Builder类定义构建步骤（如Director.build()）。
  • 场景：MyBatis的SQLSession构建。
  • 原则：开闭原则，合成复用。
• 原型模式（Prototype）
  • 功能：通过克隆现有对象创建新实例。
  • 实现：浅拷贝（默认Object.clone()）或深拷贝（自定义逻辑）。
  • 场景：高开销对象的快速克隆（如图形编辑器）。
  • 原则：合成复用，接口隔离。

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2. 结构型模式（7种）
目的：优化类与对象的结构，增强可扩展性与复用性。

• 适配器模式（Adapter）
  • 功能：转换接口，兼容不兼容的类。
  • 实现：
    • 类适配器：继承被适配类并实现目标接口（如ClassLoggerAdapter extends LegacyLogger implements ModernLogger）。
    • 对象适配器：通过组合被适配对象（如ObjectAdapter持有Adaptee实例）。
  • 场景：JDK的InputStreamReader将字节流转为字符流。
  • 原则：里氏替换，接口隔离。
• 装饰器模式（Decorator）
  • 功能：动态扩展对象功能。
  • 实现：通过组合添加职责（如BufferedInputStream增强输入流的缓冲能力）。
  • 场景：JDK的BufferedXxx系列类。
  • 原则：合成复用，接口隔离。
• 代理模式（Proxy）
  • 功能：控制对对象的访问，增强或限制行为。
  • 实现：
    • 静态代理：手动编写代理类。
    • 动态代理：Spring AOP通过Proxy.newProxyInstance()实现。
  • 场景：远程调用、安全控制（如拦截非法访问）。
  • 原则：依赖倒置，接口隔离。
• 外观模式（Facade）
  • 功能：简化复杂子系统的接口。
  • 实现：提供高层接口封装底层细节（如ZipFile封装压缩文件操作）。
  • 场景：Java的ZipFile、Spring的ApplicationContext。
  • 原则：迪米特法则，合成复用。
• 桥接模式（Bridge）
  • 功能：分离抽象与实现，独立变化。
  • 实现：通过组合代替继承（如Color与Shape的组合）。
  • 场景：JDK的Color与Shape的组合。
  • 原则：开闭原则，合成复用。
• 组合模式（Composite）
  • 功能：处理部分-整体结构，统一访问方式。
  • 实现：树形结构中节点与叶子的统一操作（如File和Directory继承Component接口）。
  • 场景：文件系统的目录与文件管理。
  • 原则：里氏替换，接口隔离。
• 享元模式（Flyweight）
  • 功能：共享细粒度对象，减少内存消耗。
  • 实现：外部状态与内部状态分离（如共享文本块）。
  • 场景：游戏中的大量小兵复用。
  • 原则：合成复用，接口隔离。

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3. 行为型模式（11种）
目的：描述对象间协作与算法封装，提升系统灵活性。

• 策略模式（Strategy）
  • 功能：定义算法族，可动态替换。
  • 实现：通过接口封装算法，客户端切换实现（如PaymentGateway接口与具体实现类）。
  • 场景：支付方式选择（信用卡/支付宝）。
  • 原则：开闭原则，接口隔离。
• 模板方法模式（Template Method）
  • 功能：定义算法骨架，延迟子类实现。
  • 实现：抽象类定义骨架，子类填充步骤（如Thread.run()）。
  • 场景：JDK的Thread类。
  • 原则：开闭原则，里氏替换。
• 观察者模式（Observer）
  • 功能：一对多依赖，状态变化自动通知。
  • 实现：主题（Subject）维护观察者列表，通知变更（如EventBus）。
  • 场景：GUI事件监听、股票价格监控。
  • 原则：迪米特法则，接口隔离。
• 责任链模式（Chain of Responsibility）
  • 功能：请求沿链传递，直到被处理。
  • 实现：链式调用，每个节点决定是否处理或传递（如日志级别过滤）。
  • 场景：日志系统、权限验证。
  • 原则：开闭原则，合成复用。
• 命令模式（Command）
  • 功能：封装请求为对象，支持撤销/重做。
  • 实现：命令接口、具体命令、调用者、接收者（如UndoManager）。
  • 场景：编辑器的撤销功能。
  • 原则：合成复用，接口隔离。
• 状态模式（State）
  • 功能：对象行为随状态变化。
  • 实现：状态类实现不同行为，上下文切换状态（如Order状态流转）。
  • 场景：订单状态（待支付→已发货→已完成）。
  • 原则：开闭原则，里氏替换。
• 备忘录模式（Memento）
  • 功能：保存对象状态，支持恢复。
  • 实现：管理者（Originator）保存状态快照（如Memento类）。
  • 场景：游戏存档、事务回滚。
  • 原则：封装性，接口隔离。
• 迭代器模式（Iterator）
  • 功能：顺序访问聚合对象，不暴露内部结构。
  • 实现：聚合类提供迭代器接口（如ListIterator）。
  • 场景：遍历集合（如JDK的Iterator）。
  • 原则：合成复用，接口隔离。
• 中介者模式（Mediator）
  • 功能：集中管理对象交互，降低耦合。
  • 实现：中介者协调多个对象通信（如ChatRoom处理消息）。
  • 场景：聊天室消息转发。
  • 原则：迪米特法则，合成复用。
• 访问者模式（Visitor）
  • 功能：在不修改类的前提下添加操作。
  • 实现：访问者接口定义操作，元素接受访问者（如AST遍历）。
  • 场景：数据统计、语法分析。
  • 原则：开闭原则，接口隔离。
• 解释器模式（Interpreter）
  • 功能：解释简单语言文法。
  • 实现：定义文法规则，解释器执行（如SQL解析器）。
  • 场景：表达式解析、脚本执行。
  • 原则：合成复用，接口隔离。

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二、设计原则与模式映射

23种模式遵循以下核心原则：

1. 开闭原则：对扩展开放，对修改关闭（如工厂模式）。

2. 里氏替换原则：子类可替换父类而不影响系统（如策略模式）。

3. 依赖倒置原则：依赖抽象而非具体实现（如接口编程）。

4. 合成复用原则：优先使用组合而非继承（如装饰器模式）。

5. 迪米特法则：减少对象间交互（如观察者模式）。

6. 接口隔离原则：避免臃肿接口（如策略模式的独立算法）。

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三、应用场景总结

• 创建型模式：解决对象创建的不确定性，如单例控制全局资源。
• 结构型模式：优化代码结构，如适配器兼容不同接口。
• 行为型模式：协调对象协作，如观察者模式实现事件通知。

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四、学习建议

1. 结合源码实践：分析Spring的工厂模式、JDK的代理机制。

2. 场景驱动：通过实际项目（如电商支付、日志系统）应用模式。

3. 对比分析：理解相似模式的区别（如适配器与装饰器）。
   如需具体模式的代码实现或深入分析，可参考相关技术文档或源码仓库。