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# 设计模式

设计模式是对许多业务和算法的抽象，因此学习起来具有一定的难度。短时间内掌握是不可能的，需要通过不断的实践和理解来积累经验。对于已经在职场上工作，但后期才开始学习设计模式的人来说，可能会面临更多的挑战。

在学习设计模式时，很多概念趋于理论化，且种类繁多（设计模式总共有23种），如果没有进行系统的梳理，可能很难直接应用到实际场景中。

设计模式中的抽象类通常是接口或抽象类，这些类的实现会根据具体的业务需求进行调整，因而不一定是唯一的实现方式。

在我学习过程中，我试图将所学的内容总结下来，但由于篇幅有限，无法一一列举所有场景，只能举出一些常见的例子。

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## 策略模式

### 常见应用场景

策略模式广泛应用于支付、计算、文件压缩、登录等场景，尤其是在游戏中，如王者荣耀和PUBG的角色处理。值得注意的是，在实际开发中，一种业务场景可能会同时使用多种设计模式，因此，下面的介绍仅为简化并专注于策略模式的核心概念。

### 策略模式基础介绍

策略模式涉及三个主要角色：  
1. **抽象策略（Strategy）**  
2. **具体策略（Concrete Strategy）**  
3. **上下文（Context）**

其中，`Context` 的概念较为抽象，通常用来持有策略并在运行时动态地切换策略。

![策略模式结构图](./images/设计模式-v2/image-20250201164040235.png)

#### 代码实现

策略模式的实现并不复杂，主要是定义三个角色：抽象策略、具体策略和上下文。为了更清晰地展示，我定义了两个具体策略，每个策略执行不同的操作。然后将策略放入上下文中，最终通过上下文来执行具体策略的方法。

```java
public class BaseStrategy {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建具体策略
        ConcreteStrategy1 concreteStrategy1 = new ConcreteStrategy1();
        ConcreteStrategy2 concreteStrategy2 = new ConcreteStrategy2();

        // 通过上下文执行策略
        new Context(concreteStrategy1).doIt();
        new Context(concreteStrategy2).doIt();
    }

    // 抽象策略接口
    public interface Strategy {
        /**
         * 执行策略方法
         */
        void method();
    }

    // 具体策略实现1
    public static class ConcreteStrategy1 implements Strategy {
        @Override
        public void method() {
            System.out.println("执行具体策略1...");
        }
    }

    // 具体策略实现2
    public static class ConcreteStrategy2 implements Strategy {
        @Override
        public void method() {
            System.out.println("执行具体策略2...");
        }
    }

    // 上下文类，持有策略并执行
    public static class Context {
        private final Strategy strategy;

        public Context(Strategy strategy) {
            this.strategy = strategy;
        }

        /**
         * 执行策略的方法
         */
        public void doIt() {
            strategy.method();
        }
    }
}
```

#### 执行结果：

```java
执行具体策略1...
执行具体策略2...
```

### 示例-游戏角色

需要制作的游戏角色业务需求，基础角色是其他角色的抽象，包括国王、王后、骑士、士兵等，武器是一个接口所有武器都实现这个接口，切换武器（武器有主武器和副武器）可以调用`setPrimaryWeapon`和`setSubWeapon`。

![image-20250201173433406](./images/设计模式-v2/image-20250201173433406.png)

#### 代码实现

```java
public class GameCharacter {
    public static void main(String[] args) {
        Character soldier = new Soldier();
        soldier.fight();

        Character king = new King();
        king.setPrimaryWeapon(new AxeWeapon());
        king.fight();
    }

    // 武器接口
    interface Weapon {
        String function();
    }

    // 各种武器实现
    public static class SwordWeapon implements Weapon {
        @Override
        public String function() {
            return "⚔️ ⚔️ ⚔️";
        }
    }

    public static class AxeWeapon implements Weapon {
        @Override
        public String function() {
            return "🪓 🪓 🪓";
        }
    }

    public static class KnifeWeapon implements Weapon {
        @Override
        public String function() {
            return "🔪 🔪 🔪";
        }
    }

    // 抽象角色类
    public abstract static class Character {
        String name;
        @Setter
        private Weapon primaryWeapon;
        @Setter
        private Weapon subWeapon;

        public Character(String name) {
            this.name = name;
            // 默认武器配置
            this.primaryWeapon = new SwordWeapon();
            this.subWeapon = new KnifeWeapon();
        }

        void fight() {
            if (primaryWeapon != null && subWeapon != null) {
                String primary = primaryWeapon.function();
                String sub = subWeapon.function();
                System.out.println(name + "：" + primary + "和" + sub);
            } else {
                System.out.println(name + "没有武器！");
            }
        }
    }

    // 国王角色
    public static class King extends Character {
        public King() {
            super("King");
            setPrimaryWeapon(new SwordWeapon());
            setSubWeapon(new KnifeWeapon());
        }
    }

    // 士兵角色
    public static class Soldier extends Character {
        public Soldier() {
            super("Soldier");
            setPrimaryWeapon(new AxeWeapon());
            setSubWeapon(new SwordWeapon());
        }
    }
}
```

#### 运行结果：

```java
Soldier：🪓 🪓 🪓和⚔️ ⚔️ ⚔️
King：🪓 🪓 🪓和🔪 🔪 🔪
```

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## 观察者模式

观察者有四个角色，观察者（Observe）和具体观察者（Concrete Observe）、主题（Subject）和具体主题（Concrete Subject），具体观察者和具体主题可以多个。

![image-20250201175728138](./images/设计模式-v2/image-20250201175728138.png)

### 简单示例

其中主题中有3个方法，添加（或者理解成注册都可以）、移出、通知，差不多都是这三个方法，其中添加可以理解成注册加入总之是往数组中添加观察者。

#### 代码实现

```java
public class ObserverDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 定义的主题
        News news = new News();

        // 观察者
        SisterObserver sisterObserver = new SisterObserver();
        GirlfriendObserver girlfriendObserver = new GirlfriendObserver();

        // 添加观察者
        news.addObserver(sisterObserver);
        news.notifyObservers("添加了妹妹");

        System.out.println("\n-----------------分割线-----------------\n");

        // 添加女朋友
        news.addObserver(girlfriendObserver);
        news.notifyObservers("添加了女朋友");

        System.out.println("\n-----------------分割线-----------------\n");
        news.removeObserver(girlfriendObserver);
        news.notifyObservers("需要和妹妹说点悄悄话，将女朋友移除了，这时女朋友听不见我们说话。。。");
    }

    // 观察者接口
    @FunctionalInterface
    interface Observer {
        void update(String message);
    }

    // 主题接口
    interface Subject {
        void addObserver(Observer observer);

        void removeObserver(Observer observer);

        void notifyObservers(String message);
    }

    // 妹妹观察者
    static class SisterObserver implements Observer {
        @Override
        public void update(String message) {
            System.out.println("SisterObserver 接受到消息：" + message);
        }
    }

    // 女朋友观察者
    static class GirlfriendObserver implements Observer {
        @Override
        public void update(String message) {
            System.out.println("GirlfriendObserver 接受到消息：" + message);
        }
    }

    // 主题类
    static class News implements Subject {

        private final List<Observer> observerList = new ArrayList<>();

        @Override
        public void addObserver(Observer observer) {
            observerList.add(observer);
        }

        @Override
        public void removeObserver(Observer observer) {
            observerList.remove(observer);
        }

        @Override
        public void notifyObservers(String message) {
            for (Observer observer : observerList) {
                observer.update(message);
            }
        }
    }
}
```

#### 运行结果：

```java
SisterObserver 接受到消息：添加了妹妹

-----------------分割线-----------------

SisterObserver 接受到消息：添加了女朋友
GirlfriendObserver 接受到消息：添加了女朋友

-----------------分割线-----------------

SisterObserver 接受到消息：需要和妹妹说点悄悄话，将女朋友移除了，这时女朋友听不见我们说话。。。
```

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## 装饰者模式

一共有四个角色。

- 抽象组件：一般是最原始、最基础的对象。
- 具体组件：一般是最原始最基础的实现对象，可以有多个（只是数量不多），可以大致看下`InputStream`UML结构图。
- 装饰角色：继承或者实现**抽象组件**这是最关键的地方。
- 具体装饰角色：可以有多个实现或者继承**装饰角色**。

### 简单示例

需要做一个抽象的相机功能，相机包含拍照功能（这是肯定的），之后随着业务需求要求相机有美颜功能，在这之后还要有滤镜功能，客户还需要延迟摄影功能。

![image-20250201185356903](./images/设计模式-v2/image-20250201185356903.png)

#### 代码实现

1. 需要定义根组件（Component）

2. 制作最原始的拍照功能，实现根组件
3. 制作延迟摄影，实现根组件
4. 作为相机之外的功能（美颜），需要定义装饰角色方便为以后的组件进行扩展
5. 继承或者实现（装饰者角色），完成美颜
6. 继承或者实现（装饰者角色），完成滤镜

```java
public class CameraDemo {
    public static void main(String[] args) {
        TakePhotoCamera takePhotoCamera = new TakePhotoCamera();
        takePhotoCamera.operation();

        System.out.println("\n-----------------分割线-----------------\n");

        BeautyCamera beautyCamera = new BeautyCamera(takePhotoCamera);
        beautyCamera.operation();

        System.out.println("\n-----------------分割线-----------------\n");

        FilterCamera filterCamera = new FilterCamera(beautyCamera);
        filterCamera.operation();

        System.out.println("\n-----------------分割线-----------------\n");

        TimerCamera timerCamera = new TimerCamera();
        timerCamera.setTime(2);
        timerCamera.operation();
        filterCamera = new FilterCamera(beautyCamera);
        filterCamera.operation();
    }

    // 相机功能
    interface Camera {

        /**
         * 相机操作
         */
        void operation();
    }

    // 相机装饰者角色
    static abstract class CameraDecorator implements Camera {
        Camera camera;

        public CameraDecorator(Camera camera) {
            this.camera = camera;
        }
    }

    // 相机拍照
    static class TakePhotoCamera implements Camera {

        /**
         * 相机操作
         */
        @Override
        public void operation() {
            System.out.println("相机拍照。。。");
        }
    }

    // 相机功能
    static class BeautyCamera extends CameraDecorator {

        public BeautyCamera(Camera camera) {
            super(camera);
        }

        /**
         * 相机操作
         */
        @Override
        public void operation() {
            camera.operation();
            System.out.println("美颜功能。。。");
        }
    }

    // 滤镜效果
    static class FilterCamera extends CameraDecorator {

        public FilterCamera(Camera camera) {
            super(camera);
        }

        /**
         * 相机操作
         */
        @Override
        public void operation() {
            camera.operation();
            System.out.println("滤镜效果。。。");
        }
    }

    // 实现相机延迟功能
    @Setter
    static class TimerCamera implements Camera {

        // 延迟时间
        private Integer time = 0;

        /**
         * 相机操作
         */
        @Override
        public void operation() {
            System.out.println("开始拍照，延迟时间：" + time + "s");
            try {
                Thread.sleep(time * 1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}
```

#### 运行结果：

```java
相机拍照。。。

-----------------分割线-----------------

相机拍照。。。
美颜功能。。。

-----------------分割线-----------------

相机拍照。。。
美颜功能。。。
滤镜效果。。。

-----------------分割线-----------------

开始拍照，延迟时间：2s
相机拍照。。。
美颜功能。。。
滤镜效果。。。
```

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## 命令模式

**Command**：定义执行请求的接口（或抽象类）。

**ConcreteCommand**：实现命令接口并具体化执行请求的过程，通常还会持有接收者对象。

**Receiver**：具体的对象，完成实际的操作任务。

**Invoker**：调用命令的对象，触发命令的执行。

**Client**：客户端，负责创建并配置命令对象，将命令与接收者绑定，并传递给调用者执行。



---

## 单例模式

### 懒汉模式

#### 双重检查锁定（DCL）

```java
public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
        // 构造函数私有化
    }

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

#### 静态内部类方式

利用 **静态内部类**（饿汉式）的特性来实现懒汉模式，并且可以保证线程安全。这种方式只有在调用 `getInstance()` 时才会加载内部类，从而实现懒加载。

```java
public class Singleton {
    private Singleton() {
        // 构造函数私有化
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}
```

#### 适用场景

- 如果单例对象比较重，且只在程序中某些特定情况下才使用，懒汉模式可以带来性能优势。
- 在低并发环境或单线程环境下，懒汉模式使用较为简单，不会有多线程安全问题。
- 对于高并发且需要频繁访问单例的场景，推荐使用**静态内部类**或**饿汉模式**来避免懒汉模式可能带来的性能问题。

#### 总结

懒汉模式有时为了延迟初始化而牺牲了性能，特别是在多线程环境下。为了保证线程安全，可以采用双重检查锁定（DCL）或静态内部类的方式，而**静态内部类方式是最推荐的方式**
，它避免了同步开销，同时也能确保线程安全。

- **优点**：
  1. 延迟加载，节省资源。
  2. 内存优化，只有在需要时才实例化。
  3. 减少不必要的初始化开销。
- **缺点**：
  1. 传统懒汉模式线程不安全（多个线程可能会创建多个实例）。
  2. 使用同步机制会有性能开销，特别是在多线程环境下。
  3. 代码复杂性较高，容易引入错误。
  4. 不适合高并发场景，特别是频繁访问时会影响性能。

### 饿汉模式

**饿汉模式**（Eager Initialization）是单例模式的一种实现方式，在该方式中，单例实例在类加载时就已经创建完成，而不是在首次使用时才创建。换句话说，**饿汉模式**
的单例实例在类被加载时就会立即初始化，确保了单例模式的唯一性。

```java
public class Singleton {

    // 在类加载时就初始化单例对象
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // 私有构造函数，防止外部通过 new 创建实例
    private Singleton() {
    }

    // 提供全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}
```

#### 适用场景

- **简单应用**：适合没有延迟初始化需求的小型应用，或者单例对象的创建非常轻量，不会影响系统性能的场景。
- **实例化不耗费太多资源**：如果单例对象的初始化过程非常轻量级且无须延迟初始化，可以使用饿汉模式。
- **类加载顺序固定**：如果不在乎单例对象在启动时是否初始化，且单例对象的初始化过程没有严重性能损失，可以选择饿汉模式。

#### 总结

- **优点**：简单、线程安全、性能高（没有锁机制）、实现方便。
- **缺点**：不支持延迟加载、可能会浪费资源（如果单例对象不常用时）。

饿汉模式是单例模式中最简单的实现方式，适用于大多数情况下单例对象的创建开销较小，且不需要延迟初始化的场景。如果单例对象的创建非常轻量且不依赖于后期加载时的资源，饿汉模式是一个不错的选择。

### 枚举类型实现

**枚举类型实现单例模式**（Enum Singleton）是实现单例模式的另一种方式，优点是更加简洁、可靠，并且避免了许多常见的单例实现方式（如懒汉模式和饿汉模式）可能出现的问题。使用枚举类型的单例实现方式自
**Java 5** 引入以来，已经成为了最推荐的单例模式实现方式之一。

**当你不需要懒加载或延迟初始化时，使用枚举实现单例模式是最理想的选择。**

```java
public enum Singleton {

    // 唯一实例
    INSTANCE;

    // 可以添加其他的方法
    public void someMethod() {
        System.out.println("This is a singleton instance method.");
    }
}
```

#### 使用示例

```java
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取单例对象
        Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;

        // 调用单例方法
        singleton.someMethod();
    }
}
```

## 建造者模式

![image-20250201203116885](./images/设计模式-v2/image-20250201203116885.png)

### 简单示例

比如我们要构建一个复杂的 `Computer`（计算机）对象。我们可以定义一个 `ComputerBuilder`，它将按顺序设置计算机的 CPU、内存、硬盘等组件，最后得到一个完整的 `Computer` 对象。

#### 代码示例

```java
public class CommandDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ConcreteLowComputerBuilder concreteLowComputerBuilder = new ConcreteLowComputerBuilder();
        Director director = new Director(concreteLowComputerBuilder);
        director.constructComputer();
        System.out.println(concreteLowComputerBuilder.getComputer());

        System.out.println("\n-----------------分割线-----------------\n");
        
        ConcreteHighComputerBuilder concreteHighComputerBuilder = new ConcreteHighComputerBuilder();
        director = new Director(concreteHighComputerBuilder);
        director.constructComputer();
        System.out.println(concreteHighComputerBuilder.getComputer());
    }

    // 构建产品接口
    interface ComputerBuilder {

        /**
         * 构建 CPU 方法
         */
        void buildCPU();

        /**
         * 构建 RAM 方法
         */
        void buildRAM();

        /**
         * 构建 磁盘 方法
         */
        void buildHardDrive();

        /**
         * 返回产品
         *
         * @return Computer
         */
        Computer getComputer();
    }

    // 产品类
    @Data
    static class Computer {
        private String CPU;
        private String RAM;
        private String hardDrive;
    }

    // 构建低端产品
    static class ConcreteLowComputerBuilder implements ComputerBuilder {
        private final Computer computer = new Computer();

        /**
         * 构建 CPU 方法
         */
        @Override
        public void buildCPU() {
            computer.setCPU("Low CPU");
        }

        /**
         * 构建 RAM 方法
         */
        @Override
        public void buildRAM() {
            computer.setRAM("Low RAM");
        }

        /**
         * 构建 磁盘 方法
         */
        @Override
        public void buildHardDrive() {
            computer.setHardDrive("Low Driver");
        }

        /**
         * 返回产品
         *
         * @return Computer
         */
        @Override
        public Computer getComputer() {
            return computer;
        }
    }

    // 构建高端产品
    static class ConcreteHighComputerBuilder implements ComputerBuilder {
        private final Computer computer = new Computer();

        /**
         * 构建 CPU 方法
         */
        @Override
        public void buildCPU() {
            computer.setCPU("High CPU");
        }

        /**
         * 构建 RAM 方法
         */
        @Override
        public void buildRAM() {
            computer.setRAM("High RAM");
        }

        /**
         * 构建 磁盘 方法
         */
        @Override
        public void buildHardDrive() {
            computer.setHardDrive("High Driver");
        }

        /**
         * 返回产品
         *
         * @return Computer
         */
        @Override
        public Computer getComputer() {
            return computer;
        }
    }

    // 构建者
    public static class Director {
        private final ComputerBuilder builder;

        public Director(ComputerBuilder builder) {
            this.builder = builder;
        }

        public void constructComputer() {
            builder.buildCPU();
            builder.buildRAM();
            builder.buildHardDrive();
        }
    }
}
```

#### 运行结果

```java
CommandDemo.Computer(CPU=Low CPU, RAM=Low RAM, hardDrive=Low Driver)

-----------------分割线-----------------

CommandDemo.Computer(CPU=High CPU, RAM=High RAM, hardDrive=High Driver)
```