「设计模式」创建型
创建型设计模式常见有如下几类:
- 单例(singleton)
- 简单工厂(simple factory)
- 工厂方法(factory method)
- 抽象工厂(abstract factory)
- 生成器(builder)
- 原型模式(prototype)
1. 单例(singleton)
意图
确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。
类图
使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。
单例模式
实现
1) 懒汉式-线程不安全
以下实现中，私有静态变量 uniqueinstance 被延迟化实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueinstance，从而节约资源。
这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueinstance == null) ，并且此时 uniqueinstance 为 null，那么多个线程会执行 uniqueinstance = new singleton(); 语句，这将导致多次实例化 uniqueinstance。
/**
* 微信公众号"小猿刷题"
*/
public class singleton {
private static singleton uniqueinstance;
private singleton() {
}
public static singleton getuniqueinstance() {
if (uniqueinstance == null) {
uniqueinstance = new singleton();
}
return uniqueinstance;
}
}
2) 懒汉式-线程安全
只需要对 getuniqueinstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了对 uniqueinstance 进行多次实例化的问题。
但是这样有一个问题，就是当一个线程进入该方法之后，其它线程试图进入该方法都必须等待，因此性能上有一定的损耗。
public static synchronized singleton getuniqueinstance() {
if (uniqueinstance == null) {
uniqueinstance = new singleton();
}
return uniqueinstance;
}
3) 饿汉式-线程安全
线程不安全问题主要是由于 uniqueinstance 被实例化了多次，如果 uniqueinstance 采用直接实例化的话，就不会被实例化多次，也就不会产生线程不安全问题。但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的优势。
private static singleton uniqueinstance = new singleton();
4) 双重校验锁-线程安全
uniqueinstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行。也就是说，只有当 uniqueinstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。
双重校验锁先判断 uniqueinstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。
/**
* 微信公众号"小猿刷题"
*/
public class singleton {
private volatile static singleton uniqueinstance;
private singleton() {
}
public static singleton getuniqueinstance() {
if (uniqueinstance == null) {
synchronized (singleton.class) {
if (uniqueinstance == null) {
uniqueinstance = new singleton();
}
}
}
return uniqueinstance;
}
}
考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueinstance == null 的情况下，如果两个线程同时执行 if 语句，那么两个线程就会同时进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueinstance = new singleton(); 这条语句，只是先后的问题，也就是说会进行两次实例化，从而产生了两个实例。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 判断。
if (uniqueinstance == null) {
synchronized (singleton.class) {
uniqueinstance = new singleton();
}
}
uniqueinstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的。uniqueinstance = new singleton(); 这段代码其实是分为三步执行。
- (1). 分配内存空间
- (2). 初始化对象
- (3). 将
uniqueinstance指向分配的内存地址
但是由于 jvm 具有指令重排的特性，有可能执行顺序变为了 1>3>2，这在单线程情况下自然是没有问题。但如果是多线程下，有可能获得是一个还没有被初始化的实例，以致于程序出错; 使用 volatile 可以禁止 jvm 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。
5) 静态内部类实现
当 singleton 类被加载时，静态内部类 singletonholder没有被加载进内存。只有当调用 getuniqueinstance() 方法从而触发 singletonholder.instance 时 singletonholder 才会被加载，此时初始化 instance 实例，并且 jvm 能确保 instance 只被实例化一次。
/**
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*/
public class singleton {
private singleton() {
}
private static class singletonholder {
private static final singleton instance = new singleton();
}
public static singleton getuniqueinstance() {
return singletonholder.instance;
}
}
这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由 jvm 提供了对线程安全的支持。
使用场景
- logger classes
- configuration classes
- accesing resources in shared mode
- factories implemented as singletons
jdk
2. 简单工厂(simple factory)
意图
在创建一个对象时不向客户暴露内部细节，并提供一个创建对象的通用接口。
类图
简单工厂不是设计模式，更像是一种编程习惯。它把实例化的操作单独放到一个类中，这个类就成为简单工厂类，让简单工厂类来决定应该用哪个子类来实例化。
简单工厂模式
这样做能把客户类和具体子类的实现解耦，客户类不再需要知道有哪些子类以及应当实例化哪个子类。因为客户类往往有多个，如果不使用简单工厂，所有的客户类都要知道所有子类的细节。而且一旦子类发生改变，例如增加子类，那么所有的客户类都要进行修改。
如果存在下面这种代码，就需要使用简单工厂将对象实例化的部分放到简单工厂中。
public class client {
public static void main(string[] args) {
int type = 1;
product product;
if (type == 1) {
product = new concreteproduct1();
} else if (type == 2) {
product = new concreteproduct2();
} else {
product = new concreteproduct();
}
}
}
实现
public interface product {
}
public class concreteproduct implements product {
}
public class concreteproduct1 implements product {
}
public class concreteproduct2 implements product {
}
/**
* 微信公众号"小猿刷题"
*/
public class simplefactory {
public product createproduct(int type) {
if (type == 1) {
return new concreteproduct1();
} else if (type == 2) {
return new concreteproduct2();
}
return new concreteproduct();
}
}
public class client {
public static void main(string[] args) {
simplefactory simplefactory = new simplefactory();
product product = simplefactory.createproduct(1);
}
}
3. 工厂方法(factory method)
意图
定义了一个创建对象的接口，但由子类决定要实例化哪个类。工厂方法把实例化推迟到子类。
类图
在简单工厂中，创建对象的是另一个类，而在工厂方法中，是由子类来创建对象。
下图中 factory 有一个 dosomething() 方法，这个方法需要用到一个产品对象，这个产品对象由 factorymethod() 方法创建。该方法是抽象的，需要由子类去实现。
工厂方法模式
实现
/**
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*/
public abstract class factory {
abstract public product factorymethod();
public void dosomething() {
product product = factorymethod();
// do something with the product
}
}
/**
* 微信公众号"小猿刷题"
*/
public class concretefactory extends factory {
public product factorymethod() {
return new concreteproduct();
}
}
public class concretefactory1 extends factory {
public product factorymethod() {
return new concreteproduct1();
}
}
/**
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*/
public class concretefactory2 extends factory {
public product factorymethod() {
return new concreteproduct2();
}
}
jdk
- java.util.calendar
- java.util.resourcebundle
- java.text.numberformat
- java.nio.charset.charset
- java.net.urlstreamhandlerfactory
- java.util.enumset
- javax.xml.bind.jaxbcontext
4. 抽象工厂(abstract factory)
意图
提供一个接口，用于创建 相关的对象家族 。
类图
抽象工厂模式创建的是对象家族，也就是很多对象而不是一个对象，并且这些对象是相关的，也就是说必须一起创建出来。而工厂方法模式只是用于创建一个对象，这和抽象工厂模式有很大不同。
抽象工厂模式用到了工厂方法模式来创建单一对象，abstractfactory 中的 createproducta() 和 createproductb() 方法都是让子类来实现，这两个方法单独来看就是在创建一个对象，这符合工厂方法模式的定义。
至于创建对象的家族这一概念是在 client 体现，client 要通过 abstractfactory 同时调用两个方法来创建出两个对象，在这里这两个对象就有很大的相关性，client 需要同时创建出这两个对象。
从高层次来看，抽象工厂使用了组合，即 client 组合了 abstractfactory，而工厂方法模式使用了继承。
抽象工厂模式
代码实现
public class abstractproducta {
}
public class abstractproductb {
}
public class producta1 extends abstractproducta {
}
public class producta2 extends abstractproducta {
}
public class productb1 extends abstractproductb {
}
public class productb2 extends abstractproductb {
}
/**
* 微信公众号"小猿刷题"
*/
public abstract class abstractfactory {
abstract abstractproducta createproducta();
abstract abstractproductb createproductb();
}
/**
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*/
public class concretefactory1 extends abstractfactory {
abstractproducta createproducta() {
return new producta1();
}
abstractproductb createproductb() {
return new productb1();
}
}
/**
* 微信公众号"小猿刷题"
*/
public class concretefactory2 extends abstractfactory {
abstractproducta createproducta() {
return new producta2();
}
abstractproductb createproductb() {
return new productb2();
}
}
/**
* 微信公众号"小猿刷题"
*/
public class client {
public static void main(string[] args) {
abstractfactory abstractfactory = new concretefactory1();
abstractproducta producta = abstractfactory.createproducta();
abstractproductb productb = abstractfactory.createproductb();
// do something with producta and productb
}
}
jdk
- javax.xml.parsers.documentbuilderfactory
- javax.xml.transform.transformerfactory
- javax.xml.xpath.xpathfactory
5. 生成器(builder)
意图
封装一个对象的构造过程，并允许按步骤构造。
类图
生成器模式
实现
以下是一个简易的 stringbuilder 实现，参考了 jdk 1.8 源码。
/**
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*/
public class abstractstringbuilder {
protected char[] value;
protected int count;
public abstractstringbuilder(int capacity) {
count = 0;
value = new char[capacity];
}
public abstractstringbuilder append(char c) {
ensurecapacityinternal(count + 1);
value[count++] = c;
return this;
}
private void ensurecapacityinternal(int minimumcapacity) {
// overflow-conscious code
if (minimumcapacity - value.length > 0)
expandcapacity(minimumcapacity);
}
void expandcapacity(int minimumcapacity) {
int newcapacity = value.length * 2 + 2;
if (newcapacity - minimumcapacity < 0)
newcapacity = minimumcapacity;
if (newcapacity < 0) {
if (minimumcapacity < 0) // overflow
throw new outofmemoryerror();
newcapacity = integer.max_value;
}
value = arrays.copyof(value, newcapacity);
}
}
/**
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*/
public class stringbuilder extends abstractstringbuilder {
public stringbuilder() {
super(16);
}
@override
public string tostring() {
// create a copy, don't share the array
return new string(value, 0, count);
}
}
public class client {
public static void main(string[] args) {
stringbuilder sb = new stringbuilder();
final int count = 26;
for (int i = 0; i < count; i++) {
sb.append((char) ('a' + i));
}
system.out.println(sb.tostring());
}
}
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
jdk
- java.lang.stringbuilder
- java.nio.bytebuffer
- java.lang.stringbuffer
- java.lang.appendable
- apache camel builders
6. 原型模式(prototype)
意图
使用原型实例指定要创建对象的类型，通过复制这个原型来创建新对象。
类图
原型模式
实现
/**
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*/
public abstract class prototype {
abstract prototype myclone();
}
/**
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public class concreteprototype extends prototype {
private string filed;
public concreteprototype(string filed) {
this.filed = filed;
}
@override
prototype myclone() {
return new concreteprototype(filed);
}
@override
public string tostring() {
return filed;
}
}
public class client {
public static void main(string[] args) {
prototype prototype = new concreteprototype("abc");
prototype clone = prototype.myclone();
system.out.println(clone.tostring());
}
}
abc