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详解23种设计模式——第二部分：结构型模式

news 2024/10/22 0:25:31

3 结构型模式

3.1 代理模式

3.2 适配器模式

3.2.1 默认适配器模式

3.2.2 对象适配器模式

3.2.3 类适配器模式

3.2.4 适配器模式总结

3.3 桥梁模式

3.4 装饰模式

3.4 门面模式

3.5 组合模式

3.6 享元模式

3.7 结构型模式总结

接上一篇：详解23种设计模式——第一部分：概述+创建型模式-CSDN博客

3 结构型模式

上一篇文章的创建型模式介绍了创建对象的一些设计模式，这章介绍的结构型模式旨在通过改变代码结构来达到解耦的目的，使得我们的代码容易维护和扩展。

3.1 代理模式

第一个要介绍的代理模式是最常使用的模式之一，用一个代理来隐藏具体实现类的实现细节，通常还用于在真实的实现前后添加一部分逻辑。

既然说是代理，那就要对客户端隐藏真实实现，由代理来负责客户端的所有请求。

当然，代理只是个代理，它不会完成实际的业务逻辑，而是一层皮而已，但是对于客户端来说，它必须表现得就是客户端需要的真实实现。

public interface FoodService {Food makeChicken();Food makeNoodle();
}
public class FoodServiceImpl implements FoodService {public Food makeChicken() {Food f = new Chicken()f.setChicken("1kg");f.setSpicy("1g");f.setSalt("3g");return f;}public Food makeNoodle() {Food f = new Noodle();f.setNoodle("500g");f.setSalt("5g");return f;}
}// 代理要表现得“就像是”真实实现类，所以需要实现 FoodService
public class FoodServiceProxy implements FoodService {// 内部一定要有一个真实的实现类，当然也可以通过构造方法注入private FoodService foodService = new FoodServiceImpl();public Food makeChicken() {System.out.println("我们马上要开始制作鸡肉了");// 如果我们定义这句为核心代码的话，那么，核心代码是真实实现类做的，// 代理只是在核心代码前后做些“无足轻重”的事情Food food = foodService.makeChicken();System.out.println("鸡肉制作完成啦，加点胡椒粉"); // 增强food.addCondiment("pepper");return food;}public Food makeNoodle() {System.out.println("准备制作拉面~");Food food = foodService.makeNoodle();System.out.println("制作完成啦")return food;}
}

客户端调用，注意，我们要用代理来实例化接口：

// 这里用代理类来实例化
FoodService foodService = new FoodServiceProxy();
foodService.makeChicken();

我们发现没有，代理模式说白了就是做 “方法包装” 或做 “方法增强”。

在面向切面编程中，其实就是动态代理的过程。比如 Spring 中，我们自己不定义代理类，但是 Spring 会帮我们动态来定义代理，然后把我们定义在 @Before、@After、@Around 中的代码逻辑动态添加到代理中。

说到动态代理，可以展开说，Spring 中实现动态代理有两种，JDK动态代理和CGLIB动态代理：

一种是如果我们的类定义了接口，如 UserService 接口和 UserServiceImpl 实现，那么采用 JDK 的动态代理；
另一种是我们自己没有定义接口的，Spring 会采用 CGLIB 进行动态代理，它是一个 jar 包，性能还不错。

Spring的AOP（面向切面编程）是通过代理实现，Spring的代理分为2种：

JDK：默认情况下，当一个类实现了接口，Spring 就会使用JDK代理，但是只代理接口的方法。如果一个对象有其它非接口方法，非接口方法是不会被代理的。
CGLIB：CGLIB底层使用字节码处理框架ASM，来转换字节码并生成新的类；CGLIB代理会创建2个对象，一个是被代理对象，一个是实现了advice(增强逻辑,或切面逻辑)的sub class。所以CGLIB不能代理final修饰的class。

3.2 适配器模式

适配器模式做的就是，有一个接口需要实现，但是我们现成的对象都不满足，需要加一层适配器来进行适配。

适配器模式总体来说分三种：默认适配器模式、对象适配器模式、类适配器模式。

先不急着分清楚这几个，先看看例子再说。

3.2.1 默认适配器模式

首先，我们先看看最简单的适配器模式默认适配器模式(Default Adapter) 是怎么样的。

我们用 Appache commons-io 包中的 FileAlterationListener 做例子，此接口定义了很多的方法，用于对文件或文件夹进行监控，一旦发生了对应的操作，就会触发相应的方法。

public interface FileAlterationListener {void onStart(final FileAlterationObserver observer);void onDirectoryCreate(final File directory);void onDirectoryChange(final File directory);void onDirectoryDelete(final File directory);void onFileCreate(final File file);void onFileChange(final File file);void onFileDelete(final File file);void onStop(final FileAlterationObserver observer);
}

此接口的一大问题是抽象方法太多了，如果我们要用这个接口，意味着我们要实现每一个抽象方法，如果我们只是想要监控文件夹中的文件创建和文件删除事件，可是我们还是不得不实现所有的方法，很明显，这不是我们想要的。

所以，我们需要下面的一个适配器，它用于实现上面的接口，但是所有的方法都是空方法，这样，我们就可以转而定义自己的类来继承下面这个类即可。

public class FileAlterationListenerAdaptor implements FileAlterationListener {public void onStart(final FileAlterationObserver observer) {}public void onDirectoryCreate(final File directory) {}public void onDirectoryChange(final File directory) {}public void onDirectoryDelete(final File directory) {}public void onFileCreate(final File file) {}public void onFileChange(final File file) {}public void onFileDelete(final File file) {}public void onStop(final FileAlterationObserver observer) {}
}

比如我们可以定义以下类，我们仅仅需要实现我们想实现的方法就可以了：

public class FileMonitor extends FileAlterationListenerAdaptor {public void onFileCreate(final File file) {// 文件创建doSomething();}public void onFileDelete(final File file) {// 文件删除doSomething();}
}

当然，上面说的只是适配器模式的其中一种，也是最简单的一种，无需多言。下面，再介绍“正统的”适配器模式。

3.2.2 对象适配器模式

来看一个《Head First 设计模式》中的一个例子，稍微修改了一下，看看怎么将鸡适配成鸭，这样鸡也能当鸭来用。因为，现在鸭这个接口，我们没有合适的实现类可以用，所以需要适配器。

public interface Duck {public void quack(); // 鸭的呱呱叫public void fly(); // 飞
}public interface Cock {public void gobble(); // 鸡的咕咕叫public void fly(); // 飞
}public class WildCock implements Cock {public void gobble() {System.out.println("咕咕叫");}public void fly() {System.out.println("鸡也会飞哦");}
}

鸭接口有 fly() 和 quare() 两个方法，鸡 Cock 如果要冒充鸭，fly() 方法是现成的，但是鸡不会鸭的呱呱叫，没有 quack() 方法。这个时候就需要适配了：

// 毫无疑问，首先，这个适配器肯定需要 implements Duck，这样才能当做鸭来用
public class CockAdapter implements Duck {Cock cock;// 构造方法中需要一个鸡的实例，此类就是将这只鸡适配成鸭来用public CockAdapter(Cock cock) {this.cock = cock;}// 实现鸭的呱呱叫方法@Overridepublic void quack() {// 内部其实是一只鸡的咕咕叫cock.gobble();}@Overridepublic void fly() {cock.fly();}
}

客户端调用很简单了：

public static void main(String[] args) {// 有一只野鸡Cock wildCock = new WildCock();// 成功将野鸡适配成鸭Duck duck = new CockAdapter(wildCock);...
}

到这里，大家也就知道了适配器模式是怎么回事了。无非是我们需要一只鸭，但是我们只有一只鸡，这个时候就需要定义一个适配器，由这个适配器来充当鸭，但是适配器里面的方法还是由鸡来实现的。

我们用一个图来简单说明下：

3.2.3 类适配器模式

直接上图：

看到这个图，大家应该很容易理解的吧，通过继承的方法，适配器自动获得了所需要的大部分方法。这个时候，客户端使用更加简单，直接 Target t = new SomeAdapter(); 就可以了。

3.2.4 适配器模式总结

类适配和对象适配的异同：

一个采用继承，一个采用组合；
类适配属于静态实现，对象适配属于组合的动态实现，对象适配需要多实例化一个对象；
总体来说，对象适配用得比较多。

适配器模式和代理模式的异同：

比较这两种模式，其实是比较对象适配器模式和代理模式，在代码结构上，它们很相似，都需要一个具体的实现类的实例。

但是它们的目的不一样，代理模式做的是增强原方法的活；适配器做的是适配的活，为的是提供“把鸡包装成鸭，然后当做鸭来使用”，而鸡和鸭它们之间原本没有继承关系。

3.3 桥梁模式

理解桥梁模式，其实就是理解代码抽象和解耦。

我们首先需要一个桥梁，它是一个接口，定义提供的接口方法。

public interface DrawAPI {public void draw(int radius, int x, int y);
}

然后是一系列实现类：

public class RedPen implements DrawAPI {@Overridepublic void draw(int radius, int x, int y) {System.out.println("用红色笔画图，radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);}
}
public class GreenPen implements DrawAPI {@Overridepublic void draw(int radius, int x, int y) {System.out.println("用绿色笔画图，radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);}
}
public class BluePen implements DrawAPI {@Overridepublic void draw(int radius, int x, int y) {System.out.println("用蓝色笔画图，radius:" + radius + ", x:" + x + ", y:" + y);}
}

定义一个抽象类，此类的实现类都需要使用 DrawAPI：

public abstract class Shape {protected DrawAPI drawAPI;protected Shape(DrawAPI drawAPI) {this.drawAPI = drawAPI;}public abstract void draw();
}

定义抽象类的子类：

// 圆形
public class Circle extends Shape {private int radius;public Circle(int radius, DrawAPI drawAPI) {super(drawAPI);this.radius = radius;}public void draw() {drawAPI.draw(radius, 0, 0);}
}
// 长方形
public class Rectangle extends Shape {private int x;private int y;public Rectangle(int x, int y, DrawAPI drawAPI) {super(drawAPI);this.x = x;this.y = y;}public void draw() {drawAPI.draw(0, x, y);}
}

最后，我们来看客户端演示：

public static void main(String[] args) {Shape greenCircle = new Circle(10, new GreenPen());Shape redRectangle = new Rectangle(4, 8, new RedPen());greenCircle.draw();redRectangle.draw();
}

可能大家看上面一步步还不是特别清晰，我把所有的东西整合到一张图上：

这回大家应该就知道抽象在哪里，怎么解耦了吧。桥梁模式的优点也是显而易见的，就是非常容易进行扩展。

3.4 装饰模式

要把装饰模式说清楚明白，不是件容易的事情。也许读者知道 Java IO 中的几个类是典型的装饰模式的应用，但是读者不一定清楚其中的关系，也许看完就忘了，希望看完这节后，读者可以对其有更深的感悟。

首先，我们先看一个简单的图，看这个图的时候，了解下层次结构就可以了：

我们来说说装饰模式的出发点，从图中可以看到，接口 Component 其实已经有了 ConcreteComponentA 和 ConcreteComponentB 两个实现类了，但是，如果我们要增强这两个实现类的话，我们就可以采用装饰模式，用具体的装饰器来装饰实现类，以达到增强的目的。

从名字来简单解释下装饰器。既然说是装饰，那么往往就是添加小功能这种，而且，我们要满足可以添加多个小功能。最简单的，代理模式就可以实现功能的增强，但是代理不容易实现多个功能的增强，当然你可以说用代理包装代理的多层包装方式，但是那样的话代码就复杂了

首先明白一些简单的概念，从图中我们看到，所有的具体装饰者们 ConcreteDecorator* 都可以作为 Component 来使用，因为它们都实现了 Component 中的所有接口。它们和 Component 实现类 ConcreteComponent* 的区别是，它们只是装饰者，起装饰作用，也就是即使它们看上去牛逼轰轰，但是它们都只是在具体的实现中加了层皮来装饰而已。

下面来看看一个例子，先把装饰模式弄清楚，然后再介绍下 java io 中的装饰模式的应用。

大街上流行起来了“快乐柠檬”，我们把快乐柠檬的饮料分为三类：红茶、绿茶、咖啡，在这三大类的基础上，又增加了许多的口味，什么金桔柠檬红茶、金桔柠檬珍珠绿茶、芒果红茶、芒果绿茶、芒果珍珠红茶、烤珍珠红茶、烤珍珠芒果绿茶、椰香胚芽咖啡、焦糖可可咖啡等等，每家店都有很长的菜单，但是仔细看下，其实原料也没几样，但是可以搭配出很多组合，如果顾客需要，很多没出现在菜单中的饮料他们也是可以做的。

在这个例子中，红茶、绿茶、咖啡是最基础的饮料，其他的像金桔柠檬、芒果、珍珠、椰果、焦糖等都属于装饰用的。当然，在开发中，我们确实可以像门店一样，开发这些类：LemonBlackTea、LemonGreenTea、MangoBlackTea、MangoLemonGreenTea......但是，很快我们就发现，这样子干肯定是不行的，这会导致我们需要组合出所有的可能，而且如果客人需要在红茶中加双份柠檬怎么办？三份柠檬怎么办？

不说废话了，上代码。首先，定义饮料抽象基类：

public abstract class Beverage {// 返回描述public abstract String getDescription();// 返回价格public abstract double cost();
}

然后是三个基础饮料实现类，红茶、绿茶和咖啡：

public class BlackTea extends Beverage {public String getDescription() {return "红茶";}public double cost() {return 10;}
}
public class GreenTea extends Beverage {public String getDescription() {return "绿茶";}public double cost() {return 11;}
}
...// 咖啡省略

定义调料，也就是装饰者的基类，此类必须继承自 Beverage：

// 调料
public abstract class Condiment extends Beverage {
}

然后我们来定义柠檬、芒果等具体的调料，它们属于装饰者，毫无疑问，这些调料肯定都需要继承调料 Condiment 类：

public class Lemon extends Condiment {private Beverage bevarage;// 这里很关键，需要传入具体的饮料，如需要传入没有被装饰的红茶或绿茶，// 当然也可以传入已经装饰好的芒果绿茶，这样可以做芒果柠檬绿茶public Lemon(Beverage bevarage) {this.bevarage = bevarage;}public String getDescription() {// 装饰return bevarage.getDescription() + ", 加柠檬";}public double cost() {// 装饰return beverage.cost() + 2; // 加柠檬需要 2 元}
}public class Mango extends Condiment {private Beverage bevarage;public Mango(Beverage bevarage) {this.bevarage = bevarage;}public String getDescription() {return bevarage.getDescription() + ", 加芒果";}public double cost() {return beverage.cost() + 3; // 加芒果需要 3 元}
}
...// 给每一种调料都加一个类

看客户端调用：

public static void main(String[] args) {// 首先，我们需要一个基础饮料，红茶、绿茶或咖啡Beverage beverage = new GreenTea();// 开始装饰beverage = new Lemon(beverage); // 先加一份柠檬beverage = new Mongo(beverage); // 再加一份芒果System.out.println(beverage.getDescription() + " 价格：￥" + beverage.cost());//"绿茶, 加柠檬, 加芒果 价格：￥16"
}

如果我们需要芒果-珍珠-双份柠檬-红茶：

Beverage beverage = new Mongo(new Pearl(new Lemon(new Lemon(new BlackTea()))));

看看下图可能会清晰一些：

到这里，大家应该已经清楚装饰模式了吧。

下面，我们再来说说 Java IO 中的装饰模式。看下图 InputStream 派生出来的部分类：

我们知道 InputStream 代表了输入流，具体的输入来源可以是文件（FileInputStream）、管道（PipedInputStream）、数组（ByteArrayInputStream）等，这些就像前面奶茶的例子中的红茶、绿茶，属于基础输入流。

FilterInputStream 承接了装饰模式的关键节点，它的实现类是一系列装饰器，比如 BufferedInputStream 代表用缓冲来装饰，也就使得输入流具有了缓冲的功能，LineNumberInputStream 代表用行号来装饰，在操作的时候就可以取得行号了，DataInputStream 的装饰，使得我们可以从输入流转换为 Java 中的基本类型值。

当然，在 Java IO 中，如果我们使用装饰器的话，就不太适合面向接口编程了，如：

InputStream inputStream = new LineNumberInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("")));

这样的结果是，InputStream 还是不具有读取行号的功能，因为读取行号的方法定义在 LineNumberInputStream 类中。

我们应该像下面这样使用：

DataInputStream is = new DataInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("")));

所以要找到纯的严格符合设计模式的代码还是比较难的。

3.4 门面模式

门面模式（也叫外观模式，Facade Pattern）在许多源码中有使用，比如 SLF4J 就可以理解为是门面模式的应用。这是一个简单的设计模式，我们直接上代码再说吧。

首先，我们定义一个接口：

public interface Shape {void draw();
}

定义几个实现类：

public class Circle implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("Circle::draw()");}
}
public class Rectangle implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("Rectangle::draw()");}
}

客户端调用：

public static void main(String[] args) {// 画一个圆形Shape circle = new Circle();circle.draw();// 画一个长方形Shape rectangle = new Rectangle();rectangle.draw();
}

以上是我们常写的代码，我们需要画圆就要先实例化圆，画长方形就需要先实例化一个长方形，然后再调用相应的 draw() 方法。

下面，我们看看怎么用门面模式来让客户端调用更加友好一些。

我们先定义一个门面：

public class ShapeMaker {private Shape circle;private Shape rectangle;private Shape square;public ShapeMaker() {circle = new Circle();rectangle = new Rectangle();square = new Square();}/*** 下面定义一堆方法，具体应该调用什么方法，由这个门面来决定*/public void drawCircle(){circle.draw();}public void drawRectangle(){rectangle.draw();}public void drawSquare(){square.draw();}
}

看看现在客户端怎么调用：

public static void main(String[] args) {ShapeMaker shapeMaker = new ShapeMaker();// 客户端调用现在更加清晰了shapeMaker.drawCircle();shapeMaker.drawRectangle();shapeMaker.drawSquare();        
}

门面模式的优点显而易见，客户端不再需要关注实例化时应该使用哪个实现类，直接调用门面提供的方法就可以了，因为门面类提供的方法的方法名对于客户端来说已经很友好了。

3.5 组合模式

组合模式用于表示具有层次结构的数据，使得我们对单个对象和组合对象的访问具有一致性。

举例：每个员工都有姓名、部门、薪水这些属性，同时还有下属员工集合（虽然可能集合为空），而下属员工和自己的结构是一样的，也有姓名、部门这些属性，同时也有他们的下属员工集合。

public class Employee {private String name;private String dept;private int salary;private List<Employee> subordinates; // 下属public Employee(String name,String dept, int sal) {this.name = name;this.dept = dept;this.salary = sal;subordinates = new ArrayList<Employee>();}public void add(Employee e) {subordinates.add(e);}public void remove(Employee e) {subordinates.remove(e);}public List<Employee> getSubordinates(){return subordinates;}public String toString(){return ("Employee :[ Name : " + name + ", dept : " + dept + ", salary :" + salary+" ]");}   
}

通常，这种类需要定义 add(node)、remove(node)、getChildren() 这些方法。

这说的其实就是组合模式，这种简单的模式我就不做过多介绍了。