# Gang of Four(GoF)设计模式

# GoF概述

以下是Gang of Four(GoF)的23种设计模式,分为创建型、结构型和行为型三类,结合其背景、设计原则及核心思想进行解释:


# 一、创建型模式(5种)

目标:解耦对象的创建过程,提供灵活的对象创建机制。

# 1. 单例模式(Singleton)

  • 背景:确保一个类仅有一个实例,并提供全局访问点(如数据库连接池)。
  • 原则:单一职责原则(一个类只管理自身实例)。
  • 核心:私有构造函数 + 静态方法控制实例化。

# 2. 工厂方法(Factory Method)

  • 背景:将对象创建延迟到子类,避免代码与具体类耦合(如UI库中的跨平台组件创建)。
  • 原则:依赖倒置原则(依赖抽象而非具体类)。
  • 核心:定义一个创建对象的接口,子类决定实例化哪个类。

# 3. 抽象工厂(Abstract Factory)

  • 背景:创建一组相关或依赖对象的家族(如不同操作系统的UI控件套件)。
  • 原则:开闭原则(扩展新家族无需修改已有代码)。
  • 核心:抽象接口声明多个创建方法,每个具体工厂实现一个产品族。

# 4. 建造者(Builder)

  • 背景:分步骤构造复杂对象(如构造包含多个部件的HTML文档)。
  • 原则:单一职责原则(构造过程与表示分离)。
  • 核心:导演类指导构造步骤,建造者实现具体构造细节。

# 5. 原型模式(Prototype)

  • 背景:通过复制现有对象来创建新对象(如游戏中的敌人克隆)。
  • 原则:减少重复初始化成本。
  • 核心:实现Cloneable接口,深拷贝或浅拷贝对象。

# 二、结构型模式(7种)

目标:组合类或对象形成更大的结构。

# 6. 适配器(Adapter)

  • 背景:使不兼容接口协同工作(如将旧版API适配到新系统)。
  • 原则:接口隔离原则(客户端仅依赖所需接口)。
  • 核心:包装旧类,实现新接口(类适配器继承,对象适配器组合)。

# 7. 桥接(Bridge)

  • 背景:分离抽象与实现,使两者独立变化(如不同形状与颜色的组合)。
  • 原则:组合优于继承。
  • 核心:抽象类持有实现接口的引用,解耦功能层次。

# 8. 组合(Composite)

  • 背景:以树形结构处理部分-整体关系(如文件系统)。
  • 原则:透明性(叶节点与组合节点接口一致)。
  • 核心:组件接口定义默认行为,叶节点和容器统一处理。

# 9. 装饰器(Decorator)

  • 背景:动态添加职责(如为流添加压缩/加密功能)。
  • 原则:开闭原则(扩展功能不修改原有类)。
  • 核心:包装对象并实现相同接口,递归叠加功能。

# 10. 外观(Facade)

  • 背景:简化复杂子系统的调用(如一键启动电脑)。
  • 原则:最少知识原则(客户端仅与外观交互)。
  • 核心:提供统一高层接口,隐藏子系统细节。

# 11. 享元(Flyweight)

  • 背景:共享细粒度对象以减少内存占用(如文档中的字符对象池)。
  • 原则:分离内部状态(共享)与外部状态(上下文相关)。
  • 核心:工厂管理共享对象,客户端传递外部状态。

# 12. 代理(Proxy)

  • 背景:控制对象访问(如远程代理、懒加载图片)。
  • 原则:职责分离(代理类处理附加逻辑)。
  • 核心:代理类与真实类实现同一接口,代理控制访问。

# 三、行为型模式(11种)

目标:管理对象间的交互与职责分配。

# 13. 策略(Strategy)

  • 背景:动态切换算法(如排序算法切换)。
  • 原则:开闭原则(新增策略无需修改上下文)。
  • 核心:定义策略接口,上下文类持有策略引用。

# 14. 模板方法(Template Method)

  • 背景:定义算法骨架,子类重写步骤(如冲泡饮料流程)。
  • 原则:好莱坞原则(“不要调用我们,我们会调用你”)。
  • 核心:抽象类定义模板方法,具体子类实现可变步骤。

# 15. 观察者(Observer)

  • 背景:一对多依赖通知(如事件监听系统)。
  • 原则:松耦合(主题与观察者独立变化)。
  • 核心:主题维护观察者列表,状态变化时通知所有观察者。

# 16. 迭代器(Iterator)

  • 背景:统一遍历集合元素的方式(如不同数据结构的遍历)。
  • 原则:单一职责原则(遍历与集合分离)。
  • 核心:定义hasNext()和next()接口,集合类提供迭代器。

# 17. 责任链(Chain of Responsibility)

  • 背景:解耦请求发送者与处理者(如审批流程)。
  • 原则:动态组合处理链。
  • 核心:每个处理器决定是否处理请求或传递给下一节点。

# 18. 命令(Command)

  • 背景:将请求封装为对象(如支持撤销的操作队列)。
  • 原则:参数化客户端与操作。
  • 核心:命令接口定义执行方法,调用者调用命令对象。

# 19. 备忘录(Memento)

  • 背景:捕获对象状态以便恢复(如文档撤销功能)。
  • 原则:封装状态保存细节。
  • 核心:原发者生成备忘录,管理者存储备忘录。

# 20. 状态(State)

  • 背景:对象行为随状态改变(如订单状态流转)。
  • 原则:将状态转移逻辑封装到状态类中。
  • 核心:上下文类持有状态对象,委托行为给当前状态。

# 21. 访问者(Visitor)

  • 背景:在不修改类的前提下添加新操作(如统计不同类型元素)。
  • 原则:双重分派(通过accept方法传递访问者)。
  • 核心:访问者接口定义针对不同元素的visit方法。

# 22. 中介者(Mediator)

  • 背景:减少对象间直接通信(如聊天室协调消息)。
  • 原则:迪米特法则(对象仅与中介者交互)。
  • 核心:中介者封装对象交互逻辑。

# 23. 解释器(Interpreter)

  • 背景:定义语言的文法表示(如SQL解析、正则表达式)。
  • 原则:将语法规则表示为类。
  • 核心:抽象语法树(AST)由多个表达式类组合而成。

# 四、设计模式的核心原则

  1. 封装变化:将易变部分独立(如策略模式封装算法)。
  2. 面向接口:依赖抽象而非具体实现。
  3. 组合优于继承:通过组合实现灵活的功能扩展。
  4. 松耦合:减少对象间的直接依赖。

GoF模式通过上述原则,帮助构建可复用、可扩展且易于维护的软件系统。

# 创建型设计模式-Java示例

以下是 创建型设计模式 的 Java 示例代码 及详细解释,每种模式均附典型应用场景和实现核心思想:


# 1. 单例模式(Singleton)

场景:全局唯一配置管理类。
核心:确保一个类只有一个实例,并提供全局访问点。

public class ConfigManager {
    private static volatile ConfigManager instance; // volatile 防止指令重排序
    private String configData;

    // 私有构造函数
    private ConfigManager() {
        configData = "默认配置";
    }

    // 双重检查锁定(Double-Checked Locking)
    public static ConfigManager getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (ConfigManager.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new ConfigManager();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public String getConfig() {
        return configData;
    }

    public void updateConfig(String data) {
        configData = data;
    }
}

// 使用示例
ConfigManager config = ConfigManager.getInstance();
System.out.println(config.getConfig()); // 输出: 默认配置

关键点:

  • 私有构造函数防止外部实例化。
  • volatile + 双重检查锁定确保线程安全。
  • 适用于需要全局唯一访问点的资源(如数据库连接池、日志管理器)。

# 2. 工厂方法模式(Factory Method)

场景:跨平台按钮创建。
核心:定义创建对象的接口,由子类决定实例化哪个类。

// 抽象产品接口
interface Button {
    void render();
}

// 具体产品:Windows 按钮
class WindowsButton implements Button {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("渲染一个Windows风格的按钮");
    }
}

// 抽象创建者类(工厂)
abstract class Dialog {
    public abstract Button createButton(); // 工厂方法

    public void renderDialog() {
        Button button = createButton();
        button.render();
    }
}

// 具体创建者:Windows 对话框
class WindowsDialog extends Dialog {
    @Override
    public Button createButton() {
        return new WindowsButton();
    }
}

// 使用示例
Dialog dialog = new WindowsDialog();
dialog.renderDialog(); // 输出: 渲染一个Windows风格的按钮

关键点:

  • 将对象创建延迟到子类,解耦客户端代码与具体类。
  • 符合 开闭原则(新增产品类型只需扩展子类)。

# 3. 抽象工厂模式(Abstract Factory)

场景:创建跨平台UI组件套件(按钮+复选框)。
核心:提供一个接口,用于创建相关或依赖对象的家族。

// 抽象产品接口
interface Button { void render(); }
interface Checkbox { void check(); }

// 具体产品族:Windows风格组件
class WindowsButton implements Button {
    @Override
    public void render() { System.out.println("Windows按钮"); }
}

class WindowsCheckbox implements Checkbox {
    @Override
    public void check() { System.out.println("Windows复选框被选中"); }
}

// 抽象工厂接口
interface GUIFactory {
    Button createButton();
    Checkbox createCheckbox();
}

// 具体工厂:Windows组件工厂
class WindowsFactory implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() { return new WindowsButton(); }
    @Override
    public Checkbox createCheckbox() { return new WindowsCheckbox(); }
}

// 客户端代码
public class Application {
    private Button button;
    private Checkbox checkbox;

    public Application(GUIFactory factory) {
        button = factory.createButton();
        checkbox = factory.createCheckbox();
    }

    public void paint() {
        button.render();
        checkbox.check();
    }
}

// 使用示例
Application app = new Application(new WindowsFactory());
app.paint();
// 输出:
// Windows按钮
// Windows复选框被选中

关键点:

  • 一个工厂类创建同一产品族的所有对象(如Windows/Mac风格组件)。
  • 新增产品族(如MacFactory)时,无需修改客户端代码。

# 4. 建造者模式(Builder)

场景:构造复杂对象(如电脑配置)。
核心:分步骤构建复杂对象,分离构造过程与表示。

// 最终产品
class Computer {
    private String CPU;
    private String RAM;
    private String storage;

    public void setCPU(String cpu) { this.CPU = cpu; }
    public void setRAM(String ram) { this.RAM = ram; }
    public void setStorage(String storage) { this.storage = storage; }

    @Override
    public String toString() {
        return "Computer [CPU=" + CPU + ", RAM=" + RAM + ", Storage=" + storage + "]";
    }
}

// 抽象建造者
interface ComputerBuilder {
    void buildCPU();
    void buildRAM();
    void buildStorage();
    Computer getResult();
}

// 具体建造者:游戏电脑配置
class GamingComputerBuilder implements ComputerBuilder {
    private Computer computer = new Computer();

    @Override
    public void buildCPU() { computer.setCPU("Intel i9"); }

    @Override
    public void buildRAM() { computer.setRAM("32GB DDR5"); }

    @Override
    public void buildStorage() { computer.setStorage("1TB NVMe SSD"); }

    @Override
    public Computer getResult() { return computer; }
}

// 导演类(控制建造流程)
class Director {
    public Computer construct(ComputerBuilder builder) {
        builder.buildCPU();
        builder.buildRAM();
        builder.buildStorage();
        return builder.getResult();
    }
}

// 使用示例
Director director = new Director();
ComputerBuilder builder = new GamingComputerBuilder();
Computer computer = director.construct(builder);
System.out.println(computer); // 输出: Computer [CPU=Intel i9, RAM=32GB DDR5, Storage=1TB NVMe SSD]

关键点:

  • 分离对象的构造代码(Builder)与业务逻辑代码(Director)。
  • 支持分步骤构造对象,灵活应对不同配置需求。

# 5. 原型模式(Prototype)

场景:克隆游戏中的敌人对象。
核心:通过复制现有对象创建新对象,避免重复初始化开销。

// 实现 Cloneable 接口
class Enemy implements Cloneable {
    private String type;
    private int health;

    public Enemy(String type, int health) {
        this.type = type;
        this.health = health;
        System.out.println("复杂初始化过程..."); // 模拟耗时操作
    }

    @Override
    protected Enemy clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (Enemy) super.clone(); // 浅拷贝
    }

    public String getType() { return type; }
    public int getHealth() { return health; }
}

// 使用示例
Enemy original = new Enemy("僵尸", 100); // 输出: 复杂初始化过程...
try {
    Enemy clone = original.clone(); // 不会触发复杂初始化
    System.out.println(clone.getType() + "克隆体,血量:" + clone.getHealth()); // 输出: 僵尸克隆体,血量:100
} catch (CloneNotSupportedException e) {
    e.printStackTrace();
}

关键点:

  • 通过 clone() 方法快速复制对象,避免重复执行初始化代码。
  • 深拷贝与浅拷贝需根据场景处理(示例为浅拷贝)。

# 总结

模式 核心思想 适用场景
单例模式 全局唯一实例 配置管理、日志系统
工厂方法 子类决定创建对象 跨平台组件、插件扩展
抽象工厂 创建产品家族 UI风格套件、跨数据库访问
建造者模式 分步骤构造复杂对象 配置复杂的对象(如订单)
原型模式 克隆对象减少初始化开销 游戏实体克隆、缓存模板

设计原则:

  • 单一职责:每个类/方法只做一件事(如建造者分离构造逻辑)。
  • 开闭原则(工厂方法、抽象工厂):通过扩展而非修改应对变化。
  • 依赖倒置(工厂模式):客户端依赖抽象接口而非具体实现。

# 结构型设计模式-Java示例

以下是 结构型设计模式 的 Java 示例代码 及详细解释,每种模式均附典型应用场景和实现核心思想:


# 1. 适配器模式(Adapter)

场景:将旧版日志系统适配到新接口
核心:将一个类的接口转换成客户端期望的另一个接口。

// 旧版日志类(需适配的类)
class LegacyLogger {
    public void logMessage(String message) {
        System.out.println("[Legacy] " + message);
    }
}

// 新日志接口(目标接口)
interface NewLogger {
    void log(String message);
}

// 适配器类(对象适配器)
class LoggerAdapter implements NewLogger {
    private LegacyLogger legacyLogger;

    public LoggerAdapter(LegacyLogger legacyLogger) {
        this.legacyLogger = legacyLogger;
    }

    @Override
    public void log(String message) {
        // 转换逻辑:添加时间戳
        String formattedMsg = "[Time] " + System.currentTimeMillis() + " - " + message;
        legacyLogger.logMessage(formattedMsg);
    }
}

// 使用示例
NewLogger logger = new LoggerAdapter(new LegacyLogger());
logger.log("用户登录成功"); 
// 输出: [Legacy] [Time] 1620000000000 - 用户登录成功

关键点:

  • 通过组合旧类对象实现接口转换(对象适配器)
  • 解决新旧系统接口不兼容问题
  • 符合 开闭原则(无需修改原有代码)

# 2. 桥接模式(Bridge)

场景:分离图形形状与颜色实现
核心:将抽象与实现解耦,使两者可以独立变化。

// 实现部分接口(颜色)
interface Color {
    String fill();
}

class Red implements Color {
    public String fill() { return "红色"; }
}

class Blue implements Color {
    public String fill() { return "蓝色"; }
}

// 抽象部分(形状)
abstract class Shape {
    protected Color color;

    public Shape(Color color) {
        this.color = color;
    }

    abstract String draw();
}

class Circle extends Shape {
    public Circle(Color color) { super(color); }

    public String draw() {
        return color.fill() + "圆形";
    }
}

class Square extends Shape {
    public Square(Color color) { super(color); }

    public String draw() {
        return color.fill() + "方形";
    }
}

// 使用示例
Shape redCircle = new Circle(new Red());
System.out.println(redCircle.draw()); // 输出: 红色圆形

Shape blueSquare = new Square(new Blue());
System.out.println(blueSquare.draw()); // 输出: 蓝色方形

关键点:

  • 使用组合代替继承(形状持有颜色对象)
  • 新增颜色/形状类型互不影响
  • 符合 单一职责原则

# 3. 组合模式(Composite)

场景:文件系统目录结构
核心:以树形结构处理部分-整体关系,统一叶子与容器接口。

// 组件接口
interface FileSystemComponent {
    void display(int indent);
}

// 叶子节点(文件)
class File implements FileSystemComponent {
    private String name;

    public File(String name) { this.name = name; }

    public void display(int indent) {
        System.out.println(" ".repeat(indent) + "📄 " + name);
    }
}

// 复合节点(目录)
class Directory implements FileSystemComponent {
    private String name;
    private List<FileSystemComponent> children = new ArrayList<>();

    public Directory(String name) { this.name = name; }

    public void add(FileSystemComponent component) {
        children.add(component);
    }

    public void display(int indent) {
        System.out.println(" ".repeat(indent) + "📁 " + name);
        for (FileSystemComponent child : children) {
            child.display(indent + 2);
        }
    }
}

// 使用示例
Directory root = new Directory("根目录");
root.add(new File("简历.pdf"));

Directory codeDir = new Directory("代码");
codeDir.add(new File("Main.java"));
codeDir.add(new File("Utils.java"));
root.add(codeDir);

root.display(0);
/* 输出:
📁 根目录
  📄 简历.pdf
  📁 代码
    📄 Main.java
    📄 Utils.java
*/

关键点:

  • 统一处理叶子对象与容器对象
  • 支持递归结构操作
  • 符合 透明性原则(叶子与容器接口一致)

# 4. 装饰器模式(Decorator)

场景:咖啡加料系统
核心:动态扩展对象功能,避免子类爆炸。

// 组件接口
interface Coffee {
    String getDescription();
    double cost();
}

// 具体组件(基础咖啡)
class SimpleCoffee implements Coffee {
    public String getDescription() { return "普通咖啡"; }
    public double cost() { return 10.0; }
}

// 抽象装饰器
abstract class CoffeeDecorator implements Coffee {
    protected Coffee decoratedCoffee;

    public CoffeeDecorator(Coffee coffee) {
        this.decoratedCoffee = coffee;
    }

    public String getDescription() {
        return decoratedCoffee.getDescription();
    }

    public double cost() {
        return decoratedCoffee.cost();
    }
}

// 具体装饰器:加牛奶
class MilkDecorator extends CoffeeDecorator {
    public MilkDecorator(Coffee coffee) { super(coffee); }

    public String getDescription() {
        return super.getDescription() + " + 牛奶";
    }

    public double cost() {
        return super.cost() + 3.0;
    }
}

// 具体装饰器:加糖
class SugarDecorator extends CoffeeDecorator {
    public SugarDecorator(Coffee coffee) { super(coffee); }

    public String getDescription() {
        return super.getDescription() + " + 糖";
    }

    public double cost() {
        return super.cost() + 1.0;
    }
}

// 使用示例
Coffee coffee = new SimpleCoffee();
coffee = new MilkDecorator(coffee);
coffee = new SugarDecorator(coffee);

System.out.println(coffee.getDescription() + ",价格:" + coffee.cost());
// 输出: 普通咖啡 + 牛奶 + 糖,价格:14.0

关键点:

  • 通过包装对象实现功能叠加
  • 符合 开闭原则(新增装饰器无需修改现有代码)
  • 避免继承导致的类爆炸问题

# 5. 外观模式(Facade)

场景:一键启动电脑
核心:为复杂子系统提供统一入口。

// 子系统1:CPU
class CPU {
    void start() { System.out.println("CPU启动"); }
}

// 子系统2:内存
class Memory {
    void load() { System.out.println("内存加载"); }
}

// 子系统3:硬盘
class HardDrive {
    void read() { System.out.println("硬盘读取"); }
}

// 外观类
class ComputerFacade {
    private CPU cpu = new CPU();
    private Memory memory = new Memory();
    private HardDrive hardDrive = new HardDrive();

    public void startComputer() {
        cpu.start();
        memory.load();
        hardDrive.read();
        System.out.println("电脑启动完成");
    }
}

// 使用示例
ComputerFacade computer = new ComputerFacade();
computer.startComputer();
/* 输出:
CPU启动
内存加载
硬盘读取
电脑启动完成
*/

关键点:

  • 简化客户端与子系统的交互
  • 符合 最少知识原则(客户端只需与外观类交互)
  • 降低系统耦合度

# 6. 享元模式(Flyweight)

场景:游戏粒子系统
核心:共享大量细粒度对象,减少内存消耗。

// 享元对象(内部状态)
class ParticleType {
    private final String texture;
    private final String color;

    public ParticleType(String texture, String color) {
        this.texture = texture;
        this.color = color;
    }

    public void draw(int x, int y) {  // 外部状态由参数传入
        System.out.printf("在(%d,%d)绘制[%s][%s]粒子\n", x, y, texture, color);
    }
}

// 享元工厂
class ParticleFactory {
    private static Map<String, ParticleType> cache = new HashMap<>();

    public static ParticleType getParticleType(String texture, String color) {
        String key = texture + "_" + color;
        if (!cache.containsKey(key)) {
            cache.put(key, new ParticleType(texture, color));
        }
        return cache.get(key);
    }
}

// 客户端使用
ParticleType fire = ParticleFactory.getParticleType("火焰", "红色");
fire.draw(10, 20);  // 在(10,20)绘制[火焰][红色]粒子

ParticleType water = ParticleFactory.getParticleType("水花", "蓝色");
water.draw(30, 40); // 在(30,40)绘制[水花][蓝色]粒子

// 复用已有享元对象
ParticleType fire2 = ParticleFactory.getParticleType("火焰", "红色");
System.out.println(fire == fire2); // 输出: true

关键点:

  • 分离内部状态(共享)与外部状态(每次传入)
  • 使用工厂管理共享对象池
  • 适用于需要创建大量相似对象的场景

# 7. 代理模式(Proxy)

场景:图片懒加载
核心:控制对象访问,实现延迟加载或访问控制。

// 接口
interface Image {
    void display();
}

// 真实对象
class RealImage implements Image {
    private String filename;

    public RealImage(String filename) {
        this.filename = filename;
        loadFromDisk(); // 初始化时立即加载
    }

    private void loadFromDisk() {
        System.out.println("加载图片: " + filename);
    }

    public void display() {
        System.out.println("显示图片: " + filename);
    }
}

// 代理类
class ProxyImage implements Image {
    private String filename;
    private RealImage realImage;

    public ProxyImage(String filename) {
        this.filename = filename;
    }

    public void display() {
        if (realImage == null) {  // 延迟加载
            realImage = new RealImage(filename);
        }
        realImage.display();
    }
}

// 使用示例
Image image = new ProxyImage("photo.jpg");
// 此时尚未加载真实图片
image.display();  // 首次调用时加载并显示
/* 输出:
加载图片: photo.jpg
显示图片: photo.jpg
*/

关键点:

  • 代理与真实对象实现相同接口
  • 实现延迟加载、访问控制等附加功能
  • 符合 单一职责原则(代理处理附加逻辑)

# 结构型模式总结

模式 核心思想 典型应用场景
适配器 接口转换 新旧系统兼容
桥接 抽象与实现分离 多维度变化的系统
组合 树形结构统一处理 文件系统、UI组件
装饰器 动态添加功能 IO流增强、GUI组件扩展
外观 简化复杂子系统访问 框架封装、API网关
享元 共享细粒度对象 游戏粒子、文档字符
代理 控制对象访问 懒加载、权限控制、远程代理

共同原则:

  1. 组合优于继承(桥接、装饰器)
  2. 接口隔离(适配器、代理)
  3. 关注点分离(外观、享元)

通过合理使用结构型模式,可以构建更灵活、可维护的软件架构,有效管理对象之间的复杂关系。

# 行为型设计模式-Java示例

以下是 行为型设计模式 的 Java 示例代码 及详细解释,涵盖所有11种模式,附典型场景和核心思想:


# 1. 策略模式(Strategy)

场景:动态切换支付方式
核心:将算法封装为独立对象,支持运行时切换。

interface PaymentStrategy {
    void pay(int amount);
}

class CreditCardPayment implements PaymentStrategy {
    public void pay(int amount) {
        System.out.println("信用卡支付:" + amount + "元");
    }
}

class AlipayPayment implements PaymentStrategy {
    public void pay(int amount) {
        System.out.println("支付宝支付:" + amount + "元");
    }
}

class ShoppingCart {
    private PaymentStrategy strategy;

    public void setStrategy(PaymentStrategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void checkout(int amount) {
        strategy.pay(amount);
    }
}

// 使用示例
ShoppingCart cart = new ShoppingCart();
cart.setStrategy(new AlipayPayment());
cart.checkout(100); // 输出: 支付宝支付:100元

关键点:

  • 算法族独立变化,符合 开闭原则
  • 避免多重条件判断语句

# 2. 模板方法模式(Template Method)

场景:定义饮料制作流程
核心:父类定义算法骨架,子类实现具体步骤。

abstract class Beverage {
    // 模板方法(final防止子类覆盖)
    final void prepareRecipe() {
        boilWater();
        brew();
        pourInCup();
        addCondiments();
    }

    abstract void brew();
    abstract void addCondiments();

    void boilWater() {
        System.out.println("烧水");
    }

    void pourInCup() {
        System.out.println("倒入杯子");
    }
}

class Coffee extends Beverage {
    void brew() { System.out.println("冲泡咖啡粉"); }
    void addCondiments() { System.out.println("加糖和牛奶"); }
}

// 使用示例
Beverage coffee = new Coffee();
coffee.prepareRecipe();
/* 输出:
烧水
冲泡咖啡粉
倒入杯子
加糖和牛奶
*/

关键点:

  • 父类控制流程,子类扩展细节
  • 符合 好莱坞原则(“不要调用我们,我们会调用你”)

# 3. 观察者模式(Observer)

场景:新闻发布订阅系统
核心:定义对象间的一对多依赖,状态变化自动通知。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class NewsPublisher {
    private List<Observer> observers = new ArrayList<>();
    private String news;

    public void addObserver(Observer o) {
        observers.add(o);
    }

    public void setNews(String news) {
        this.news = news;
        notifyObservers();
    }

    private void notifyObservers() {
        for (Observer o : observers) {
            o.update(news);
        }
    }
}

interface Observer {
    void update(String news);
}

class User implements Observer {
    public void update(String news) {
        System.out.println("收到新闻: " + news);
    }
}

// 使用示例
NewsPublisher publisher = new NewsPublisher();
publisher.addObserver(new User());
publisher.setNews("重大突破!"); // 输出: 收到新闻: 重大突破!

关键点:

  • 松耦合设计,主题与观察者独立变化
  • Java内置 java.util.Observable 可实现类似功能

# 4. 迭代器模式(Iterator)

场景:统一遍历不同类型集合
核心:提供遍历集合元素的统一接口。

interface Iterator<T> {
    boolean hasNext();
    T next();
}

class BookList {
    private String[] books = {"Java", "Python", "C++"};
    
    public Iterator<String> iterator() {
        return new BookIterator();
    }

    private class BookIterator implements Iterator<String> {
        private int index = 0;

        public boolean hasNext() {
            return index < books.length;
        }

        public String next() {
            return books[index++];
        }
    }
}

// 使用示例
BookList list = new BookList();
Iterator<String> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    System.out.println(it.next()); // 依次输出: Java Python C++
}

关键点:

  • 分离集合结构与遍历逻辑
  • Java集合框架已广泛使用此模式

# 5. 责任链模式(Chain of Responsibility)

场景:多级审批流程
核心:将请求沿处理链传递,直到被处理。

abstract class Approver {
    protected Approver next;

    public void setNext(Approver next) {
        this.next = next;
    }

    public abstract void processRequest(int amount);
}

class Manager extends Approver {
    public void processRequest(int amount) {
        if (amount <= 1000) {
            System.out.println("经理审批通过");
        } else if (next != null) {
            next.processRequest(amount);
        }
    }
}

class Director extends Approver {
    public void processRequest(int amount) {
        if (amount <= 5000) {
            System.out.println("总监审批通过");
        } else if (next != null) {
            next.processRequest(amount);
        }
    }
}

// 使用示例
Approver manager = new Manager();
Approver director = new Director();
manager.setNext(director);

manager.processRequest(3000); // 输出: 总监审批通过

关键点:

  • 动态构建处理链
  • 请求发送者无需知道具体处理者

# 6. 命令模式(Command)

场景:支持撤销的操作队列
核心:将请求封装为对象,支持日志、队列和撤销。

interface Command {
    void execute();
    void undo();
}

class Light {
    void on() { System.out.println("开灯"); }
    void off() { System.out.println("关灯"); }
}

class LightOnCommand implements Command {
    private Light light;

    public LightOnCommand(Light light) {
        this.light = light;
    }

    public void execute() { light.on(); }
    public void undo() { light.off(); }
}

class RemoteControl {
    private Command command;

    public void setCommand(Command command) {
        this.command = command;
    }

    public void pressButton() {
        command.execute();
    }

    public void pressUndo() {
        command.undo();
    }
}

// 使用示例
Light light = new Light();
Command lightOn = new LightOnCommand(light);
RemoteControl remote = new RemoteControl();

remote.setCommand(lightOn);
remote.pressButton(); // 输出: 开灯
remote.pressUndo();   // 输出: 关灯

关键点:

  • 将请求参数化
  • 支持事务、队列和撤销操作

# 7. 备忘录模式(Memento)

场景:文本编辑器撤销功能
核心:捕获对象状态并在需要时恢复。

class Editor {
    private String content;

    public void write(String content) {
        this.content = content;
    }

    public Memento save() {
        return new Memento(content);
    }

    public void restore(Memento m) {
        content = m.getContent();
    }

    public String getContent() { return content; }
}

class Memento {
    private final String content;

    public Memento(String content) {
        this.content = content;
    }

    public String getContent() { return content; }
}

class History {
    private Stack<Memento> states = new Stack<>();

    public void push(Memento m) { states.push(m); }
    public Memento pop() { return states.pop(); }
}

// 使用示例
Editor editor = new Editor();
History history = new History();

editor.write("第一版");
history.push(editor.save()); // 保存状态

editor.write("第二版");
editor.restore(history.pop()); // 恢复到第一版
System.out.println(editor.getContent()); // 输出: 第一版

关键点:

  • 严格封装状态保存细节
  • 适用于需要快照功能的场景

# 8. 状态模式(State)

场景:订单状态流转
核心:对象行为随内部状态改变而改变。

interface OrderState {
    void handle(Order order);
}

class NewOrder implements OrderState {
    public void handle(Order order) {
        System.out.println("处理新订单");
        order.setState(new Shipped());
    }
}

class Shipped implements OrderState {
    public void handle(Order order) {
        System.out.println("订单已发货");
        order.setState(new Delivered());
    }
}

class Order {
    private OrderState state;

    public Order() {
        state = new NewOrder();
    }

    public void setState(OrderState state) {
        this.state = state;
    }

    public void process() {
        state.handle(this);
    }
}

// 使用示例
Order order = new Order();
order.process(); // 输出: 处理新订单 → 状态变为Shipped
order.process(); // 输出: 订单已发货 → 状态变为Delivered

关键点:

  • 将状态转移逻辑封装到状态类中
  • 消除庞大的条件判断语句

# 9. 访问者模式(Visitor)

场景:文档元素统计
核心:在不修改类结构的前提下添加新操作。

interface Element {
    void accept(Visitor visitor);
}

class TextElement implements Element {
    public void accept(Visitor visitor) {
        visitor.visit(this);
    }
}

class ImageElement implements Element {
    public void accept(Visitor visitor) {
        visitor.visit(this);
    }
}

interface Visitor {
    void visit(TextElement text);
    void visit(ImageElement image);
}

class CountVisitor implements Visitor {
    private int textCount = 0;
    private int imageCount = 0;

    public void visit(TextElement text) { textCount++; }
    public void visit(ImageElement image) { imageCount++; }

    public void report() {
        System.out.println("文本元素: " + textCount + " 图片元素: " + imageCount);
    }
}

// 使用示例
List<Element> elements = Arrays.asList(new TextElement(), new ImageElement());
CountVisitor visitor = new CountVisitor();

for (Element e : elements) {
    e.accept(visitor);
}

visitor.report(); // 输出: 文本元素: 1 图片元素: 1

关键点:

  • 通过双重分派实现操作扩展
  • 适合数据结构稳定但操作频繁变化的场景

# 10. 中介者模式(Mediator)

场景:聊天室协调消息
核心:通过中介者对象封装对象间的交互。

class ChatUser {
    private String name;
    private ChatMediator mediator;

    public ChatUser(String name, ChatMediator mediator) {
        this.name = name;
        this.mediator = mediator;
    }

    public void send(String message) {
        mediator.sendMessage(message, this);
    }

    public void receive(String message) {
        System.out.println(name + " 收到消息: " + message);
    }
}

interface ChatMediator {
    void sendMessage(String msg, ChatUser user);
}

class ChatRoom implements ChatMediator {
    private List<ChatUser> users = new ArrayList<>();

    public void addUser(ChatUser user) {
        users.add(user);
    }

    public void sendMessage(String msg, ChatUser sender) {
        for (ChatUser u : users) {
            if (u != sender) u.receive(msg);
        }
    }
}

// 使用示例
ChatRoom room = new ChatRoom();
ChatUser alice = new ChatUser("Alice", room);
ChatUser bob = new ChatUser("Bob", room);
room.addUser(alice);
room.addUser(bob);

alice.send("你好!"); // Bob收到消息: 你好!

关键点:

  • 减少对象间的直接耦合
  • 集中控制交互逻辑

# 11. 解释器模式(Interpreter)

场景:简单布尔表达式解析
核心:定义语言的文法,并用解释器解释语句。

interface Expression {
    boolean interpret(String context);
}

class TerminalExpression implements Expression {
    private String data;

    public TerminalExpression(String data) {
        this.data = data;
    }

    public boolean interpret(String context) {
        return context.contains(data);
    }
}

class OrExpression implements Expression {
    private Expression expr1;
    private Expression expr2;

    public OrExpression(Expression e1, Expression e2) {
        this.expr1 = e1;
        this.expr2 = e2;
    }

    public boolean interpret(String context) {
        return expr1.interpret(context) || expr2.interpret(context);
    }
}

// 使用示例
Expression john = new TerminalExpression("John");
Expression married = new TerminalExpression("Married");
Expression expression = new OrExpression(john, married);

System.out.println(expression.interpret("John")); // true
System.out.println(expression.interpret("Married")); // true
System.out.println(expression.interpret("Single")); // false

关键点:

  • 构建抽象语法树(AST)解释语言
  • 适用于特定领域语言(DSL)

# 行为型模式总结

模式 核心思想 典型应用场景
策略模式 算法封装,动态切换 支付方式、排序算法
模板方法 父类定义流程,子类实现步骤 框架流程控制
观察者模式 发布-订阅机制 事件处理、消息通知
迭代器模式 统一遍历接口 集合遍历
责任链模式 请求沿链传递 审批流程、过滤器链
命令模式 请求封装为对象 撤销操作、任务队列
备忘录模式 对象状态快照 撤销/恢复功能
状态模式 对象行为随状态改变 订单状态、游戏角色状态
访问者模式 分离数据结构与操作 文档处理、编译器
中介者模式 集中管理对象交互 聊天系统、GUI组件协调
解释器模式 定义语法规则 SQL解析、正则表达式

设计原则体现:

  1. 开闭原则:策略模式、访问者模式支持扩展
  2. 单一职责:命令模式分离调用与执行
  3. 松耦合:观察者模式解耦主题与观察者

通过合理应用行为型模式,可以高效管理对象间的交互逻辑,提升代码的可维护性和扩展性。

上次更新: 2025/4/19 22:57:58