Java的二十三种设计模式（单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式）

从这一块开始，我们详细介绍Java中23种设计模式的概念，应用场景等情况，并结合他们的特点及设计模式的原则进行分析。

创建型模式(5种)：用于描述“怎样创建对象”，它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。

A、单例模式（Singleton）

单例（Singleton）模式：某个类只能生成一个实例，该类提供了一个全局访问点供外部获取该实例，其拓展是有限多例模式。

这样的模式有几个好处：

某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。
省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。
有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

优点：只有一个实例，节约了内存资源，提高了系统性能

缺点：
没有抽象层，不能扩展
职责过重，违背了单一性原则

首先我们写一个简单的单例类：

public class Singleton {/* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */private static Singleton instance = null;/* 私有构造方法，防止被实例化 */private Singleton() {}/* 静态工程方法，创建实例 */public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */public Object readResolve() {return instance;}
}

这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了，如何解决？我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字，如下：

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

但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个：

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

似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：

①：A、B线程同时进入了第一个if判断

②：A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();

③：由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

④：B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

⑥：此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们对该程序做进一步优化：

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

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

public class Singleton {/* 私有构造方法，防止被实例化 */private Singleton() {}/* 此处使用一个内部类来维护单例 */private static class SingletonFactory {private static Singleton instance = new Singleton();}/* 获取实例 */public static Singleton getInstance() {return SingletonFactory.instance;}/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */public Object readResolve() {return getInstance();}
}

其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的：

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

考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。

public class SingletonTest {private static SingletonTest instance = null;private Vector properties = null;public Vector getProperties() {return properties;}private SingletonTest() {}private static synchronized void syncInit() {if (instance == null) {instance = new SingletonTest();}}public static SingletonTest getInstance() {if (instance == null) {syncInit();}return instance;}public void updateProperties() {SingletonTest shadow = new SingletonTest();properties = shadow.getProperties();}
}

通过单例模式的学习告诉我们：

单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。
synchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁）。

到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？

首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）

其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。

再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static，无法被覆写。

最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的Java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像HashMap采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的优点，才能最好的解决问题！

拓展：多例设计模式

单例设计模式只留下一个类的一个实例化对象，而多例设计模式，会定义出多个对象。例如：定义一个表示星期的操作类，这个类的对象只能有7个实例化对象（星期一 ~ 星期日）；定义一个表示性别的类，只能有2个实例化对象（男、女）；定义一个表示颜色的操作类，只能有3个实例化对象（红、绿、蓝）。这种情况下，这样的类就不应该由用户无限制地去创造实例化对象，应该只使用有限的几个，这个就属于多例设计模式。不管是单例设计模式还是多例设计模式，有一个核心不可动摇，即构造器方法私有化。

class Sex{private String title;private static final Sex MALE = new Sex("男");private static final Sex FEMALE = new Sex("女");private Sex(String title){        //构造器私有化this.title = title;}public String toString(){return this.title;}public static Sex getInstance(int ch){switch(ch){case 1:return MALE;case 2:return FEMALE;default:return null;}}
}public class TestDemo{public static void main(String args[]){Sex sex = Sex.getInstance(2);System.out.println(sex);}
}==========程序执行结果=========
女

B、工厂方法模式（Factory Method）

工厂方法模式分为三种：

1、普通工厂模式，就是建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。首先看下关系图：

举例如下：（我们举一个发送邮件和短信的例子）

首先，创建二者的共同接口：

public interface Sender {public void Send();
}

其次，创建实现类：

public class MailSender implements Sender {@Overridepublic void Send() {System.out.println("this is mailsender!");}
}

public class SmsSender implements Sender {@Overridepublic void Send() {System.out.println("this is sms sender!");}
}

最后，建工厂类：

public class SendFactory {public Sender produce(String type) {if ("mail".equals(type)) {return new MailSender();} else if ("sms".equals(type)) {return new SmsSender();} else {System.out.println("请输入正确的类型!");return null;}}
}

我们来测试下：

public class FactoryTest {public static void main(String[] args) {SendFactory factory = new SendFactory();Sender sender = factory.produce("sms");sender.Send();}
}

输出：this is sms sender!

2、多个工厂方法模式，是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。关系图：

将上面的代码做下修改，改动下SendFactory类就行，如下：

public class SendFactory {public Sender produceMail(){return new MailSender();}public Sender produceSms(){return new SmsSender();}
}

测试类如下：

public class FactoryTest {public static void main(String[] args) {SendFactory factory = new SendFactory();Sender sender = factory.produceMail();sender.Send();}
}

输出：this is mailsender!

3、静态工厂方法模式，将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。

public class SendFactory {public static Sender produceMail(){return new MailSender();}public static Sender produceSms(){return new SmsSender();}
}

public class FactoryTest {public static void main(String[] args) {   Sender sender = SendFactory.produceMail();sender.Send();}
}

输出：this is mailsender!

总体来说，工厂模式适合：凡是出现了大量的产品需要创建，并且具有共同的接口时，可以通过工厂方法模式进行创建。在以上的三种模式中，第一种如果传入的字符串有误，不能正确创建对象，第三种相对于第二种，不需要实例化工厂类，所以，大多数情况下，我们会选用第三种——静态工厂方法模式。

好处：客户端不需要创建对象，明确了各个类的职责
缺点：该工厂类负责创建所有实例，如果有新的类加入，需要不断的修改工厂类，不利于后期的维护

C、抽象工厂模式

工厂方法模式有一个问题就是，类的创建依赖工厂类，也就是说，如果想要拓展程序，必须对工厂类进行修改，这违背了闭包原则，所以，从设计角度考虑，有一定的问题，如何解决？就用到抽象工厂模式，创建多个工厂类，这样一旦需要增加新的功能，直接增加新的工厂类就可以了，不需要修改之前的代码。因为抽象工厂不太好理解，我们先看看图，然后就和代码，就比较容易理解。

请看例子：

public interface Sender {public void Send();
}

两个实现类：

public class MailSender implements Sender {@Overridepublic void Send() {System.out.println("this is mailsender!");}}

public class MailSender implements Sender {@Overridepublic void Send() {System.out.println("this is mailsender!");}}

在提供一个接口：

public interface Provider {public Sender produce();}

两个工厂类：

    public class SendMailFactory implements Provider {@Overridepublic Sender produce(){return new MailSender();}}

public class SendSmsFactory implements Provider{@Overridepublic Sender produce() {return new SmsSender();}}

测试类：

public class Test {public static void main(String[] args) {Provider provider = new SendMailFactory();Sender sender = provider.produce();sender.Send();}}

其实这个模式的好处就是，如果你现在想增加一个功能：发及时信息，则只需做一个实现类，实现Sender接口，同时做一个工厂类，实现Provider接口，就OK了，无需去改动现成的代码。这样做，拓展性较好！

好处：如果有新的类进来，只需要添加一个对应的具体工厂类，不影响现有代码，增加了程序的扩展性
缺点：增加了代码量