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创建型模式

ops 2025/8/22 11:34:32

1.单例模式：

是java中最简单模式之一

特点：单例类只能有一个实例

单例类必须自己创建自己的唯一实例

单例类必须给所有其他对象提供这一实例

（1）饿汉式（比较常用，但容易产生垃圾对象）：

优点：没有加锁，执行效率会提高，线程安全，获取实例速度快（提前创建好了，类加载时就创建实例）

缺点：类加载时就初始化，不能延迟加载，浪费内存

适用于：单例对象较小，对内存要求不高的场景

//静态代码块:只执行一次
//线程安全  浪费资源
public class Eager1 {private Eager1(){ }private static Eager1 instance;//实例public static Eager1 getInstance() {//访问点，只能通过getInstance这个方法访问return instance;}//利用静态代码块的特点来完成单例的创建static{instance=new Eager1();}
}

//常量
public class Eager2 {private static final Eager2 instance=new Eager2();//finalprivate Eager2(){}public static Eager2 getInstance()//访问点{return instance;}
}

（2）懒汉式：

是一种延迟初始化的实现方式，只有在第一次使用时才会创建实例。

基础懒汉式：

优点：延迟初始化，第一次调用的时候才创建实例，避免了不必要的资源占用，灵活控制初始化时机，可以在运行时决定是否初始化

缺点：在多线程环境下可能创建多个实例，破坏单例原则

适用场景：适合初始化成本高的对象（数据库连接池、线程池等）

非线程安全：

public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}  // 私有构造public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {          // 第一次调用时创建instance = new Singleton();  // 非线程安全！}return instance;}
}

线程安全改进，加锁：

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

（3）双重检查锁

结合延迟加载和线程安全，减少同步锁的开销

public class Singleton {private static volatile Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {                // 第一次检查synchronized (Singleton.class) {    // 加锁if (instance == null) {          // 第二次检查instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

volaile 关键字禁止指令重排序，避免返回未初始化的实例。两次检查确保线程安全。

优点：线程安全且性能较高

缺点：代码较复杂，需理解内存模型

适合场景：高并发环境

（4）静态内部类

利用类加载机制保证线程安全，同时延迟加载

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

原理：内部类holder在getinstance（）首次调用时才会加载

优点：线程安全、延迟加载、无锁高性能

缺点：无法防止反射攻击

适用场景：大多数场景

（5）枚举

基于枚举类型的天然单例特性，防止反射和序列化破坏

public enum Singleton {INSTANCE;public void doSomething() {// 业务方法}
}

优点：线程安全，天然防止反射创建新实例，自动处理序列化和反序列化

缺点：不够灵活（无法继承其他类）

适用场景：需要绝对防止多实例的场景（如配置管理器）

2.原型模式

通过复制现有对象（原型）来创建新对象，而不是通过new关键字实例化。这种方式特别适用于创建成本较高的对象，或者当系统需要独立于对象创建和构成的方式时。

声明克隆方法的接口

实现克隆方法的具体类

通过复制原型来创建新对象

浅拷贝：

使用 Object.clone() 方法直接调用 super.clone()，依赖 JVM 的默认浅拷贝行为，复制字段值（包括引用地址）。

// 1. 原型接口
interface Prototype extends Cloneable {Prototype clone();
}// 2. 具体原型
class ConcretePrototype implements Prototype {private String field;private List<String> listField;public ConcretePrototype(String field, List<String> list) {this.field = field;this.listField = list;}// 浅拷贝实现public Prototype clone() {try {return (ConcretePrototype)super.clone();} catch (CloneNotSupportedException e) {return null;}}// getters and setters
}// 3. 客户端使用
public class Client {public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<>();list.add("item1");ConcretePrototype original = new ConcretePrototype("value", list);ConcretePrototype copy = (ConcretePrototype)original.clone();System.out.println(original == copy);  // false - 不同对象System.out.println(original.getListField() == copy.getListField());  // true - 共享引用}
}

深拷贝：

手动创建新对象并复制数据显式通过 new 和构造函数创建新对象，并复制引用类型字段的实际内容。

class ConcretePrototype implements Prototype {private String field;private List<String> listField;public ConcretePrototype(String field, List<String> list) {this.field = field;this.listField = new ArrayList<>(list);  // 防御性复制}// 深拷贝实现public Prototype clone() {List<String> newList = new ArrayList<>(this.listField);return new ConcretePrototype(this.field, newList);}// getters and setters
}// 客户端使用
public class Client {public static void main(String[] args) {List<String> list = new ArrayList<>();list.add("item1");ConcretePrototype original = new ConcretePrototype("value", list);ConcretePrototype copy = (ConcretePrototype)original.clone();System.out.println(original == copy);  // falseSystem.out.println(original.getListField() == copy.getListField());  // false}
}

应用场景：对象创建成本高

优点：

性能优化：避免重复初始化操作

灵活性：动态添加和删除产品

简化创建结构：避免复杂的创建层次

保护性拷贝：可以方便地实现防御性编程

缺点：

深拷贝实现复杂：特别是对象包含循环引用时

需要克隆方法：每个类都需要正确实现克隆方法

可能违反封装：需要暴露对象内部细节来实现克隆

简单工厂：

角色：抽象产品（定义产品的接口或抽象类）、具体产品（实现抽象产品的具体类）、工厂类（根据参数创建并返回具体产品的实例）

代码示例：

// 1. 抽象产品：定义接口
interface Shape {void draw();
}// 2. 具体产品：实现接口
class Circle implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("绘制圆形");}
}class Rectangle implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("绘制矩形");}
}// 3. 工厂类：根据参数创建对象
class ShapeFactory {public Shape createShape(String type) {if ("circle".equalsIgnoreCase(type)) {return new Circle();} else if ("rectangle".equalsIgnoreCase(type)) {return new Rectangle();}throw new IllegalArgumentException("未知图形类型: " + type);}
}// 4. 客户端使用
public class Client {public static void main(String[] args) {ShapeFactory factory = new ShapeFactory();Shape shape = factory.createShape("circle");shape.draw(); // 输出：绘制圆形}
}

缺点与局限

违反开闭原则（OCP）
新增产品类型（如 Triangle）需修改工厂类的 createShape() 方法。
工厂类职责过重
所有产品的创建逻辑集中在一个类中，可能导致代码臃肿。

适用于产品类型固定、无需频繁扩展的场景。尽管其 违反开闭原则，但在小型项目或快速开发中仍具有实用价值。对于复杂系统，建议结合工厂方法或抽象工厂模式提升扩展性。

3.工厂方法：

核心思想是 将对象的创建延迟到子类。通过定义一个创建对象的接口，但让子类决定具体实例化哪个类，实现 对象创建与使用的解耦，符合开闭原则（对扩展开放，对修改关闭）。

角色：抽象产品（定义产品的接口或抽象类）、具体产品（实现抽象产品的具体类）、抽象工厂（声明工厂方法，返回抽象产品类型）、具体工厂（实现工厂方法，生成具体产品）

代码示例：

// 1. 抽象产品
interface Document {void open();void save();
}// 2. 具体产品
class WordDocument implements Document {@Overridepublic void open() { System.out.println("打开Word文档"); }@Overridepublic void save() { System.out.println("保存Word文档"); }
}class PDFDocument implements Document {@Overridepublic void open() { System.out.println("打开PDF文档"); }@Overridepublic void save() { System.out.println("保存PDF文档"); }
}// 3. 抽象工厂
interface DocumentFactory {Document createDocument();
}// 4. 具体工厂
class WordFactory implements DocumentFactory {@Overridepublic Document createDocument() {return new WordDocument();}
}class PDFFactory implements DocumentFactory {@Overridepublic Document createDocument() {return new PDFDocument();}
}// 5. 客户端使用
public class Client {public static void main(String[] args) {DocumentFactory factory = new WordFactory();Document doc = factory.createDocument();doc.open(); // 输出：打开Word文档}
}

核心优点

符合开闭原则
新增产品类型时，只需添加对应的具体工厂和产品类，无需修改已有代码。
解耦客户端与具体类
客户端仅依赖抽象接口（Document 和 DocumentFactory），不直接耦合具体实现。
支持多态性
工厂方法可返回不同子类对象，实现灵活的对象创建逻辑。

缺点

类数量膨胀
每个产品需对应一个工厂类，增加系统复杂度。
抽象性要求高
需要预先设计抽象层，对简单场景可能过度设计。

适用场景

对象类型不确定：需运行时动态决定创建哪种对象（如配置文件驱动）。
扩展性强：预期系统需频繁新增产品类型（如插件系统）。
框架设计：允许用户自定义组件（如Spring的BeanFactory）。

4.抽象工厂

模式定义

抽象工厂模式是一种创建型设计模式，提供 创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们的具体类。其核心是 围绕产品族（一组有逻辑关联的产品）进行对象创建，确保同一族的产品能协同工作。

核心结构

抽象工厂模式包含以下角色：

抽象工厂（Abstract Factory）
定义创建一系列产品对象的接口（如createButton(), createCheckbox()）。
具体工厂（Concrete Factory）
实现抽象工厂接口，生产同一产品族的对象（如WindowsFactory生产Windows风格组件）。
抽象产品（Abstract Product）
定义一类产品的接口（如Button、Checkbox）。
具体产品（Concrete Product）
实现抽象产品接口的具体类（如WindowsButton、MacCheckbox）。

代码示例

步骤1：定义抽象产品

// 按钮抽象接口
interface Button {void render();
}// 复选框抽象接口
interface Checkbox {void check();
}

步骤2：定义具体产品

// Windows风格按钮
class WindowsButton implements Button {@Overridepublic void render() {System.out.println("渲染一个Windows风格按钮");}
}// Mac风格按钮
class MacButton implements Button {@Overridepublic void render() {System.out.println("渲染一个Mac风格按钮");}
}// Windows风格复选框
class WindowsCheckbox implements Checkbox {@Overridepublic void check() {System.out.println("勾选Windows风格复选框");}
}// Mac风格复选框
class MacCheckbox implements Checkbox {@Overridepublic void check() {System.out.println("勾选Mac风格复选框");}
}

步骤3：定义抽象工厂

interface GUIFactory {Button createButton();Checkbox createCheckbox();
}

步骤4：实现具体工厂

// Windows工厂生产同一族产品
class WindowsFactory implements GUIFactory {@Overridepublic Button createButton() {return new WindowsButton();}@Overridepublic Checkbox createCheckbox() {return new WindowsCheckbox();}
}// Mac工厂生产同一族产品
class MacFactory implements GUIFactory {@Overridepublic Button createButton() {return new MacButton();}@Overridepublic Checkbox createCheckbox() {return new MacCheckbox();}
}

步骤5：客户端使用

public class Application {private Button button;private Checkbox checkbox;public Application(GUIFactory factory) {button = factory.createButton();checkbox = factory.createCheckbox();}public void renderUI() {button.render();checkbox.check();}public static void main(String[] args) {// 根据配置选择工厂GUIFactory factory;String osType = System.getProperty("os.name").toLowerCase();if (osType.contains("windows")) {factory = new WindowsFactory();} else {factory = new MacFactory();}Application app = new Application(factory);app.renderUI();}
}

模式优势

强产品族一致性：确保同一工厂创建的对象兼容（如所有组件风格统一）。

客户端与具体类解耦：客户端仅依赖抽象接口，不关心具体实现。

易于切换产品族：通过替换工厂实例，可快速切换整套产品（如从Windows主题切换为Mac主题）。

模式缺点

新增产品困难：若需在已有产品族中增加新产品（如新增RadioButton），需修改所有工厂接口和实现类，违反开闭原则。

类数量膨胀：每新增一个产品族，需新增多个具体产品类和工厂类

适用场景

跨平台UI开发
不同操作系统的按钮、菜单、对话框需要风格一致。
数据库兼容
支持多种数据库（MySQL、Oracle），同一族产品包括Connection、Statement、ResultSet。
游戏引擎
为不同画质等级（低、中、高）创建配套的模型、贴图、特效。

对比工厂方法模式

维度	工厂方法模式	抽象工厂模式
核心目标	创建单一产品	创建相关产品族
扩展方向	新增产品类型（垂直扩展）	新增产品族（水平扩展）
代码复杂度	较低（一个工厂对应一个产品）	较高（一个工厂对应多个产品）
典型场景	支付方式（支付宝、微信）	跨平台UI组件、数据库驱动兼容

总结

抽象工厂模式是 管理复杂对象创建 的利器，尤其适合需要保证多对象协同工作的场景。尽管存在扩展性限制，但在产品族明确且稳定的系统中，它能显著提升代码的可维护性和灵活性。

5.创建者模式

模式定义

建造者模式是一种 创建型设计模式，用于 分步骤构建复杂对象。它通过将对象的构造过程与表示分离，使得 相同的构建过程可以创建不同的对象形式。
核心价值：

简化多参数对象的创建（尤其当参数可选或存在依赖时）。

提高代码可读性（链式调用更直观）。

支持构造过程的精细化控制（如必填字段校验）。

核心结构

建造者模式通常包含以下角色：

产品（Product）
最终要构建的复杂对象（如 Computer）。
抽象建造者（Builder）
定义构造产品的通用步骤接口（如 setCPU()、setRAM()）。
具体建造者（Concrete Builder）
实现抽象建造者接口，提供具体的构造逻辑。
指挥者（Director，可选）
控制构造流程（如定义标准化的组装步骤）。

代码示例：自定义电脑配置

步骤1：定义产品类

public class Computer {private String cpu;      // 必填private String ram;      // 必填private String ssd;      // 可选private String gpu;      // 可选public Computer(String cpu, String ram, String ssd, String gpu) {this.cpu = cpu;this.ram = ram;this.ssd = ssd;this.gpu = gpu;}// 省略Getter方法...
}

步骤2：定义建造者接口

public interface ComputerBuilder {ComputerBuilder setCPU(String cpu);  // 必填ComputerBuilder setRAM(String ram);  // 必填ComputerBuilder setSSD(String ssd);  // 可选ComputerBuilder setGPU(String gpu);  // 可选Computer build();                   // 最终构建方法
}

步骤3：实现具体建造者

public class StandardComputerBuilder implements ComputerBuilder {private String cpu;private String ram;private String ssd;private String gpu;@Overridepublic ComputerBuilder setCPU(String cpu) {this.cpu = cpu;return this;}@Overridepublic ComputerBuilder setRAM(String ram) {this.ram = ram;return this;}@Overridepublic ComputerBuilder setSSD(String ssd) {this.ssd = ssd;return this;}@Overridepublic ComputerBuilder setGPU(String gpu) {this.gpu = gpu;return this;}@Overridepublic Computer build() {// 校验必填参数if (cpu == null || ram == null) {throw new IllegalArgumentException("CPU和RAM是必填参数");}return new Computer(cpu, ram, ssd, gpu);}
}

步骤4：客户端使用

public class Client {public static void main(String[] args) {Computer gamingPC = new StandardComputerBuilder().setCPU("Intel i9")    // 链式调用.setRAM("32GB").setGPU("RTX 4090").build();Computer officePC = new StandardComputerBuilder().setCPU("Intel i5").setRAM("8GB").setSSD("512GB").build();}
}