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Java——设计模式（Design Pattern）

news 2025/5/25 10:35:52

设计模式（Design Pattern）是软件开发中针对常见问题的经典解决方案，由 GoF（Gang of Four）在《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中归纳为23 种模式，分为三大类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。以下是它们的分类、区别和作用详解：

一、创建型模式（Creational Patterns）

核心作用：封装对象的创建逻辑，分离对象的创建和使用，使系统更灵活地创建不同类型的对象。
包含模式：

工厂方法模式（Factory Method）
- 作用：定义一个创建对象的接口，由子类决定实例化哪个具体类。
- 区别：将简单工厂的静态创建逻辑改为动态（通过子类实现），符合开闭原则。
- 场景：创建对象的逻辑需要延迟到子类实现时（如日志工厂、数据库连接工厂）。
抽象工厂模式（Abstract Factory）
- 作用：创建一组相关或依赖的对象（如跨平台 UI 组件：按钮、文本框的组合）。
- 区别：比工厂方法更复杂，用于创建多个产品族（如同时创建 Windows 和 Mac 的 UI 组件）。
单例模式（Singleton）
- 作用：确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点（如线程池、日志管理器）。
- 区别：通过私有化构造函数、静态实例和线程安全机制实现。
原型模式（Prototype）
- 作用：通过复制现有对象创建新对象，避免重复初始化逻辑（如配置对象克隆）。
- 区别：基于对象克隆（实现Cloneable接口），适用于创建成本较高的对象。
建造者模式（Builder）
- 作用：将复杂对象的构建过程分解为多个步骤，允许不同的构建顺序（如创建用户对象：姓名、年龄、地址分步设置）。
- 区别：分离对象的构建和表示，适合参数多且组合复杂的对象。

二、结构型模式（Structural Patterns）

核心作用：简化对象间的结构关系，优化类或对象的组合方式，提高系统的灵活性和可维护性。
包含模式：

适配器模式（Adapter）
- 作用：将一个类的接口转换为另一个接口，使不兼容的类可以协同工作（如电源适配器转换电压）。
- 区别：分为类适配器（继承）和对象适配器（组合），后者更常用。
装饰器模式（Decorator）
- 作用：动态地给对象添加新功能，避免继承导致的类爆炸（如咖啡饮品添加调料：牛奶、糖浆）。
- 区别：通过组合方式扩展功能，比继承更灵活（开闭原则）。
代理模式（Proxy）
- 作用：为其他对象提供一个代理或占位符，控制对原对象的访问（如远程代理、缓存代理、权限代理）。
- 区别：代理对象与原对象实现相同接口，客户端透明调用。
外观模式（Facade）
- 作用：为复杂子系统提供一个统一的接口，简化客户端调用（如整合支付系统的统一入口）。
- 区别：降低客户端与子系统的耦合，属于结构型模式中的 “简化接口” 模式。
桥接模式（Bridge）
- 作用：将抽象部分与实现部分分离，使它们可以独立变化（如将 “消息类型” 与 “发送方式” 解耦）。
- 区别：通过组合而非继承实现抽象和实现的分离，适用于多维度变化的场景。
组合模式（Composite）
- 作用：将对象组合成树形结构，表示 “部分 - 整体” 的层次关系（如文件系统：文件夹包含文件和子文件夹）。
- 区别：统一处理单个对象（叶子节点）和组合对象（容器节点），简化层次操作。
享元模式（Flyweight）
- 作用：共享多个对象的公共状态，减少内存占用（如文本编辑器中的字符共享字体、颜色等公共属性）。
- 区别：通过分离 “内部状态”（共享）和 “外部状态”（不共享）优化性能。

三、行为型模式（Behavioral Patterns）

核心作用：关注对象间的通信和算法设计，优化对象之间的交互流程，提升系统的灵活性和可扩展性。
包含模式：

策略模式（Strategy）
- 作用：定义一系列算法，将每个算法封装起来，使它们可以相互替换（如电商促销策略：满减、折扣、赠品）。
- 区别：通过接口实现算法族，运行时动态切换策略，避免多重条件判断。
模板方法模式（Template Method）
- 作用：在抽象类中定义算法骨架，具体步骤由子类实现（如 HTTP 请求处理模板：预处理→处理→后处理）。
- 区别：通过继承强制子类实现某些步骤，属于 “顶层设计” 模式。
观察者模式（Observer）
- 作用：定义对象间的一对多依赖关系，当一个对象状态改变时，所有依赖者自动更新（如订阅 - 发布系统、股市行情通知）。
- 区别：通过注册 / 注销机制解耦主题（Subject）和观察者（Observer）。
迭代器模式（Iterator）
- 作用：提供一种遍历集合元素的统一方式，无需暴露集合内部结构（如 Java 的Iterator接口）。
- 区别：分离集合的遍历逻辑，支持不同的遍历方式（正向、反向、跳跃遍历）。
责任链模式（Chain of Responsibility）
- 作用：将请求的发送者和处理者解耦，请求沿着链传递，直到有一个处理者处理（如审批流程：组长→经理→总监）。
- 区别：避免请求发送者与具体处理者耦合，动态调整链的顺序。
命令模式（Command）
- 作用：将 “请求” 封装为对象，使请求发送者和接收者解耦（如撤销操作、日志记录、线程池任务）。
- 区别：通过命令对象（Command）封装动作，支持队列化、撤销等操作。
备忘录模式（Memento）
- 作用：在不破坏封装性的前提下，捕获对象的内部状态并保存，以便恢复（如游戏存档、编辑器撤销）。
- 区别：通过备忘录（Memento）对象保存状态，由负责人（Caretaker）管理。
状态模式（State）
- 作用：允许对象在内部状态改变时改变行为，对象看起来像是修改了类（如电梯状态：运行、停止、故障）。
- 区别：将状态逻辑封装为独立的状态类，避免大量条件判断。
访问者模式（Visitor）
- 作用：将数据结构与作用于结构上的操作解耦，使操作可以独立扩展（如统计文件系统中不同类型文件的大小）。
- 区别：通过访问者（Visitor）类定义操作，数据结构（如元素 Element）负责接待访问者。
中介者模式（Mediator）
- 作用：通过中介者对象封装对象间的交互逻辑，避免对象直接引用（如聊天房间中介协调用户消息传递）。
- 区别：减少对象间的直接依赖，将多对多交互转换为一对多（对象与中介者）。
解释器模式（Interpreter）
- 作用：给定一种语言，定义其文法的表示，并定义一个解释器来解释语言中的句子（如正则表达式引擎、数学表达式解析）。
- 区别：适用于需要频繁改变文法或解释规则的场景，实现成本较高。

四、三大类模式的核心区别

类型	关注重点	典型场景	关键作用
创建型	对象的创建方式	复杂对象初始化、对象池、单实例	解耦对象创建与使用，控制实例化逻辑
结构型	对象的组合与结构关系	接口转换、动态扩展、层次结构	优化系统结构，简化对象间的依赖关系
行为型	对象间的交互与算法设计	流程控制、状态管理、消息传递	解耦对象交互逻辑，提升系统灵活性

五、常见模式：

创建型模式（Creational Patterns）

核心目标：封装对象的创建过程，将对象的创建与使用分离，提高系统的灵活性和可扩展性。
特点：

隐藏对象创建的复杂逻辑。
通过接口或抽象类定义创建规范，由子类或具体实现决定具体创建方式。

模式名称	作用与特点	应用场景示例
单例模式（Singleton）	确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。	数据库连接池、配置管理器。
工厂模式（Factory Method）	定义对象创建的接口，子类决定具体实例化哪个类。	支付网关（根据支付类型创建不同支付处理器）。
抽象工厂模式（Abstract Factory）	创建相关或依赖对象的家族，无需指定具体类。	GUI框架（创建跨平台的按钮、文本框等组件）。
建造者模式（Builder）	将复杂对象的构建与其表示分离，逐步构建对象。	生成复杂配置文件（如XML、JSON）。
原型模式（Prototype）	通过复制现有对象创建新对象，避免重复初始化。	克隆配置对象、快速生成相似数据。

结构型模式（Structural Patterns）

核心目标：组合类或对象的结构，形成更大的结构，简化系统设计并提高灵活性。
特点：

通过继承、组合或聚合等方式，定义类或对象之间的关系。
关注如何高效地组织代码结构，优化系统的可维护性。

常见模式：

模式名称	作用与特点	应用场景示例
适配器模式（Adapter）	将不兼容的接口转换为兼容的接口，使原本不兼容的类可以协作。	旧系统接口与新系统对接。
装饰器模式（Decorator）	动态地为对象添加额外功能，比继承更灵活。	给咖啡加糖、奶泡（动态扩展功能）。
代理模式（Proxy）	为对象提供代理，控制对原始对象的访问（如权限校验、延迟加载）。	远程调用、缓存代理。
外观模式（Facade）	为子系统提供统一接口，简化复杂系统的调用。	一键启动电脑（调用多个硬件组件）。
组合模式（Composite）	将对象组合成树形结构，表示“部分-整体”的层次关系。	文件系统（文件夹包含文件和子文件夹）。

行为型模式（Behavioral Patterns）

核心目标：定义对象之间的交互和职责分配，提高对象间的协作效率。
特点：

关注对象之间的通信方式（如事件、回调、链式调用）。
解耦对象之间的依赖关系，增强系统的可维护性。

模式名称	作用与特点	应用场景示例
观察者模式（Observer）	定义对象间的一对多依赖关系，当状态变化时通知所有依赖对象。	事件驱动系统（如GUI事件监听）。
策略模式（Strategy）	将算法封装为独立类，允许在运行时动态切换策略。	支付系统（支持多种支付方式）。
责任链模式（Chain of Responsibility）	将请求的发送者和接收者解耦，多个对象依次处理请求。	HTTP请求过滤器链（如权限校验、日志记录）。
命令模式（Command）	将请求封装为对象，支持参数化请求、队列操作和撤销功能。	撤销/重做功能（如文本编辑器）。
状态模式（State）	允许对象在内部状态改变时改变行为，避免冗长的条件判断。	状态机（如订单状态：待支付、已发货、已完成）。