设计模式之创建型模式

创建型模式关注创建对象。

创建型模式将对象的创建和使用分离，使用者无需关注对象的创建细节。

创建型模式包括 5 种：单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、原型模式、建造者模式。

单例模式

类负责创建自己的唯一对象，并提供访问唯一对象的方法。

注意两点：私有化构造方法；提供获取实例的方法。

实现方式

饿汉式

对象随着类的加载而创建，存在内存浪费现象。

// 饿汉式-静态成员变量
public class Singleton {

    // 私有化构造方法
    private Singleton(){}

    // 创建实例
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    // 提供获取实例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    
}

// 饿汉式-静态代码块
public class Singleton {

    // 私有化构造方法
    private Singleton(){}

    // 创建实例
    private static Singleton instance;
    
    // 静态代码块中进行赋值
    static {
        // 实例化前可进行额外操作
        instance = new Singleton();
    }

    // 提供获取实例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

在静态代码块中实例化对象，可在实例化对象前后执行额外操作，如加载配置文件。

懒汉式

对象不随类的加载而创建，而是在第一次使用时创建。

/**
 * 懒汉式-线程不安全
 * 多线程环境下存在线程安全问题
 */
public class Singleton {

    // 私有化构造方法
    private Singleton(){}

    // 声明变量
    private static Singleton instance;

    // 提供获取实例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 在使用时创建对象
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

/**
 * 懒汉式-synchronized
 * 通过synchronized关键字解决线程安全问题，但执行效率较低
 */
public class Singleton {

    // 私有化构造方法
    private Singleton(){}

    // 声明变量
    private static Singleton instance;

    // 提供获取实例的方法
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        // 在使用时创建对象
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

/**
 * 懒汉式-双重检查锁
 * 第一次读不加锁，缩小锁的范围，提高执行效率，但，指令重排可能导致空指针
 */
public class Singleton {

    // 私有化构造方法
    private Singleton() {}

    // 声明变量
    private static Singleton instance;

    // 提供获取实例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次判断-无锁
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 第二次判断-有锁
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

/**
 * 懒汉式-双重检查锁()
 * 使用volatile解决指令重排导致的空指针问题
 */
public class Singleton {

    // 私有化构造方法
    private Singleton() { }

    // 声明变量
    // volatile防止指令重排导致的空指针问题
    private static volatile Singleton instance;

    // 提供获取实例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次判断-无锁
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 第二次判断-有锁
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

静态内部类方式

/**
 * 懒汉式-静态内部类方式
 */
public class Singleton {

    // 私有化构造方法
    private Singleton() {
    }

    // 定义静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        // 声明并初始化外部类对象
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 提供获取实例的方法
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

}

JVM 在加载外部类的过程中, 不会加载静态内部类，静态内部类只有在属性/方法被调用时才会被加载，并初始化其静态属性。

枚举方式

/**
 * 饿汉式-枚举方式
 */
public enum Singleton {
    INSTANCE
}

枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次。

破坏单例

除枚举方式外，其余方式实现的单例模式可通过序列化或反射破坏，即可创建多个对象。

序列化方式

将对象序列化后，每次反序列化得到的对象都是新对象。

public static void writeObject2File(Singleton obj){
    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("obj.txt"));
    oos.writeObject(obj);
}
public static Singleton readObjectFromFile(){
    ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("obj.txt"));
    return (Singleton) ois.readObject();
}
public static void main(String[] args) {
    Singleton o1 = Singleton.getInstance();
    // 序列化对象
    writeObject2File(o1);
    // 反序列化对象
    Singleton o2 = readObjectFromFile();
    Singleton o3 = readObjectFromFile();
    // o1!=o2    o1!=o3    o2!=o3
}

readResolve() 方法会在反序列化时被反射调用，如果定义 readResolve()，则将其返回值作为反序列化得到的对象，否则将创建新的对象。

public class Singleton implements Serializable {
    //...
    private Object readResolve() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

跟踪 readObject() 源码会发现如下代码：

// 创建新对象
obj = desc.isInstantiable() ? desc.newInstance() : null;
...
// 如果有readResolve()方法则将其返回值赋给obj
if (... && desc.hasReadResolveMethod()){
    Object rep = desc.invokeReadResolve(obj);
    ...
    if (rep != obj) {
        ....
        handles.setObject(passHandle, obj = rep);
    }
}
// obj作为反序列化得到的对象
return obj;

反射方式

通过反射创建的对象都是新对象。

public static void main(String[] args) {
    // 获取字节码对象
    Class<Singleton> clazz = Singleton.class;
    // 获取无参构造方法
    Constructor<Singleton> cons = clazz.getDeclaredConstructor();
    // 取消访问检查
    cons.setAccessible(true);
    // 创建Singleton对象
    Singleton o1 = cons.newInstance();
    Singleton o2 = cons.newInstance();
    // o1!=o2
}

以上代码利用反射通过构造方法创建对象，当 instance 不为 null 时，禁止通过构造方法创建对象即可防止破坏单例模式。

// 非静态内部类方式
public class Singleton {
    private Singleton() {
        // 在构造方法中对instance进行判断
        if (instance != null) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }
}

// 静态内部类方式
public class Singleton implements Serializable {

    // flag标识Singleton构造方法是否已经被调用
    private static boolean flag = false;

    // 私有化构造方法
    private Singleton() {
        synchronized (Singleton.class) {
            // 在构造方法中对flag进行判断
            if (flag) {
                throw new RuntimeException();
            }
            flag = true;
        }
    }
    
}

源码寻迹

JDK 中的 Runtime 类使用饿汉式实现单例模式

public class Runtime {
    private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }
    private Runtime() {}
}

工厂模式

工厂根据使用方的意图创建对象。

实现方式

简单工厂模式

简单工厂模式不是一种设计模式，更像是一种编程习惯，违背开闭原则。

简单工厂模式的角色

• 抽象产品：定义产品规范。
• 具体产品：实现抽象产品。
• 具体工厂：提供获取产品的方法。

新增具体产品时，需要修改具体工厂，违背开闭原则。

public class ComputerFactory {
    // 可定义为非静态方法
    public static Computer createComputer(String purpose) {
        // 根据意图创建对象
        Computer computer = null;
        if ("MacBook".equals(purpose)) {
            computer = new MacBook();
        }
        else if ("ThinkPad".equals(purpose)) {
            computer = new ThinkPad();
        }
        return computer;
    }
}

// 使用者
Computer computer = ComputerFactory.createComputer("MacBook");

工厂方法模式

工厂方法模式的角色

• 抽象工厂（Abstract Factory）：定义创建产品的接口。
• 具体工厂（Concrete Factory）：实现抽象工厂。
• 抽象产品（Product）：定义产品规范。
• 具体产品（Concrete Product）：实现抽象产品。

工厂方法模式新增具体产品时，只需新增具体工厂，无需修改原有代码，满足开闭原则。

工厂方法模式使产品类的实例化延迟到抽象工厂的子类。

// 抽象工厂
public interface ComputerFactory {
    public Computer createComputer();
}
// 具体工厂：专门创建MacBook
public class MacBookComputerFactory implements ComputerFactory {
    @Override
    public Computer createComputer() {
        return new MacBook();
    }
}
// 具体工厂：专门创建ThinkPad
public class ThinkPadComputerFactory implements ComputerFactory {...}

// 使用者
MacBookComputerFactory factory = new MacBookComputerFactory();
MacBook computer = factory.createComputer();

抽象工厂模式

抽象工厂模式的角色

• 抽象工厂（Abstract Factory）：定义创建产品的接口，可创建多个产品。
• 具体工厂（Concrete Factory）：实现抽象工厂。
• 抽象产品（Product）：定义产品规范，有多个抽象产品。
• 具体产品（Concrete Product）：实现抽象产品。

同一类的产品属于同一等级，同一工厂的产品属于同一族。

举个例子，华为工厂生产华为手机和华为电脑，苹果工厂生产苹果手机和苹果电脑，华为手机和苹果手机属于统一等级，华为手机和华为电脑属于同一族。

抽象工厂模式是对工厂方法模式的拓展，其具体工厂负责生产同一族的不同等级的产品。

抽象工厂模式在增加新的等级的产品时，需要修改抽象工厂及各具体工厂，违背了开闭原则。

适用场景：分等级分族

// 抽象工厂
public interface Factory {
    Computer createComputer();
    Phone createPhone();
}
// 具体工厂：华为工厂
public class HuaWeiFactory implements Factory {
    @Override
    public Computer createComputer() {
        return new MateBook();
    }
    @Override
    public Phone createPhone() {
        return new HuaWeiPhone();
    }

}
// 具体工厂：苹果工厂
public class AppleFactory implements Factory {...}

// 使用者
HuaWeiFactory factory = new HuaWeiFactory();
MateBook computer = factory.createComputer();

模式拓展

通过简单工厂+配置文件的方式解除工厂对象和产品对象的耦合。

#  配置文件bean.properties
american=com.factory.MacBook
latte=com.factory.ThinkPad

public class ComputerFactory {
    // 存放所有产品对象
    private static Map<String,Computer> map = new HashMap();
    // 加载配置文件并创建产品对象
    static {
        Properties p = new Properties();
        InputStream is = ComputerFactory.class.getClassLoader().getResourceAsStream("bean.properties");
        try {
            p.load(is);
            // 遍历Properties集合对象
            Set<Object> keys = p.keySet();
            for (Object key : keys) {
                // 全类名
                String className = p.getProperty((String) key);
                // 字节码对象
                Class clazz = Class.forName(className);
                // 创建产品对象
                Computer obj = (Computer) clazz.newInstance();
                map.put((String)key,obj);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // 提供方法获取对象
    public static Computer createComputer(String name) {
        // 相当于将判断操作交由map
        return map.get(name);
    }
}

源码寻迹

JDK 源码中的 Collection 与 Iterator 使用了工厂方法模式。

// 抽象工厂
public interface Collection<E>{
    // 抽象产品
    Iterator<E> iterator();
}

// 具体工厂
public class ArrayList<E> implements List<E>{
    public Iterator<E> iterator() {
        // 具体产品
        return new Itr();
    }
}
// interface List<E> extends Collection<E>
// class Itr implements Iterator<E>

原型模式

通过复制（浅拷贝/深拷贝）实例来创建和实例相同的对象。

原型模式的角色

• 抽象原型：定义 clone() 接口。
• 具体原型：实现抽象原型。

适用场景：对象创建非常复杂，待创建对象与已创建对象相似；性能和安全要求较高。

实现方式

// 抽象原型
public interface Cloneable {}

// 具体原型
public class RealizeType implements Cloneable {
    @Override
    public RealizeType clone() {
        // 实际调用Object的clone()
        return super.clone();
    }
}

源码寻迹

Object 类中声明了 clone() 方法，并给出了默认实现（浅克隆）。

public class Object {
    @IntrinsicCandidate
    protected native Object clone();
}

建造者模式

将部件的构造（Builder）和装配（Director）分离。

建造者模式的角色

• 产品（Product）：待创建的复杂对象，由多个构件组成。
• 抽象建造者（Builder）：定义构造构件的接口。
• 具体建造者（Concrete Builder）：实现抽象建造者。
• 指挥者（Director）：装配各部件。

建造者模式可以精细控制产品创建过程，构件的构造和组装分离。

适用场景：对象复杂，构建与装配独立，构建经常变化，装配保持稳定。

实现方式

// 产品
public class Bike {
    private String frame;
    private String seat;
}

// 抽象建造者
public abstract class Builder {
    // 声明产品
    protected Bike bike = new Bike();
    // 构造Frame
    public abstract void buildFrame();
    // 构造Seat
    public abstract void buildSeat();
    // 构建自行车
    public abstract Bike createBike();
}

// 具体建造者
public class ABikeBuilder extends Builder {
    @Override
    public void buildFrame() {
        bike.setFrame("A-Frame");
    }
    @Override
    public void buildSeat() {
        bike.setSeat("A-Seat");
    }
    @Override
    public Bike createBike() {
        return bike;
    }
}
public class BBikeBuilder extends Builder {...}

// 指挥者
public class Director {
    // 建造者
    private Builder builder;
    // 指挥者
    public Director(Builder builder) {
        this.builder = builder;
    }
    // 装配产品
    public Bike construct() {
        builder.buildFrame();
        builder.buildBike();
        return builder.createBike();
    }
}

// 使用者
Director director = new Director(new ABikeBuilder());
Bike bike = director.construct();

注意，指挥者中装配产品的过程可能比较复杂，根据迪米特法则，装配任务不应交由使用者完成。为了简化系统结构，可将装配任务交由建造者完成，但不符合单一职责原则。

// 具体建造者
public class ABikeBuilder extends Builder {
    @Override
    public Bike createBike() {
        this.buildFrame();
        this.buildBike();
        return bike;
    }
}

当一个类构造器需要传入多个参数时，为提高代码可读性，可以利用建造者模式进行重构。

public class Phone {

    // 多个属性
    private String cpu;
    private String screen;

    // 私有化构造方法
    private Phone(Builder builder) {
        this.cpu = builder.cpu;
        this.screen = builder.screen;
    }

    // 建造者
    public static final class Builder {

        // 建造者属性与对象属性相同
        private String cpu;
        private String screen;

        public Builder cpu(String cpu) {
            this.cpu = cpu;
            return this;
        }

        public Builder screen(String screen) {...}
        
        // 使用构建者创建对象
        public Phone build() {
            return new Phone(this);
        }
    }

}

Lombok 的 @Builder 注解实现上述效果。

VS 工厂模式

工厂方法模式注重对象整体的创建，建造者模式注重部件的构建以及装配。

抽象工厂模式实现对产品族中一系列产品的创建，建造者模式实现对特定产品的创建。

END

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