接口设计模板-Java开发中的23种设计模式详解(转)_Java开发模式

用亿图图示,这个软件的操作比较智能化,而且有很多的模板和例子,对于接口设计方面还是挺实用的。

在稍大型一点的项目中,总会有一个base层,我们认为它封装了最最底层和基础的一些列功能,因为底层的东西追求稳定和运行效率,所以90%是用C/C++写的,一般以头文件+DLL的方式给上层使用(不考虑它是基于COM的,如果是COM,VARIANT的参数类型就不在讨论范围内了)。头文件中定义了一些列导出函数或者导出类,这些导出函数或类的成员函数,都会有一些列参数,由于C/C++是强类型语言,所有强类型语言对类型转换都是极其严格的,不能像javascript里那样用var j = ... 的形式搞定一切。所以,底层接口中函数的参数如何设计是非常重要的。

假设有一个接口void A(int a),就只能接受一个int类型作为参数。

1、当需求变了,需要处理string类型时,就要修改A或者增加新的接口A1;

void A(int a);

void A(const string& str);

或void A1(const string& str);

2、当参数个数变了,需要接受两个int时,仍然需要修改;

void A(int a, int b);

如果两天后上层又提需求,说需要三个int参数...好吧,再改

void A(int a, int b, int c);

如果确实修改了这个接口A的参数类型或者参数个数或者增加新的接口A1,则必然导致至少两中问题:

1、所有引用这个头文件的cpp文件重编,而一个底层模块在整个项目中使用的普遍性是非常高的,那么最严重的情况就是,修改了一个头文件,造成整个项目重编;

2、所有调用过这个接口的上层代码都需要重新修改,更悲剧的是,还需要重新测试。

所以,如何才能涉及出具有很强适应力和扩展性的接口及参数类型,对于底层的接口是很重要的,也是必须的。

大概总结了一些,目测有这么几种方案,有些是坑爹的,有些在某些场合特定场合比较使用,有些比较通用。

1. void*

void*做参数在纯C语言写的代码里还是挺常见的,比如一个接口void A(void* p);

那如果你在A里对p进行某些类型转换,比如double *pd = (double*)p; 而传入的p原先是int* pn,那就惨了,多半*pd 不是原来的*pn,这就是用void*做参数的悲剧之处,它不携带原来的类型信息,对于使用者来说不知道应该怎么转,而且转了就有风险。这种void*参数现在几乎是绝对不允许使用的。

2.联合体类型

[html] view plain copy

struct param

{

int id;

union BaseArg

{

struct CommonEventArg

{

RECT rcItem;

}CommonEventArgs;

struct RightMenuArg

{

BOOL bShowDesk;

BOOL bWndMoved;

int nIconSize;

}RightMenuArgs;

struct ItemDragArg

{

RECT rcBegin;

RECT rcEnd;

}ItemDragArgs;

struct ItemSelectArg

{

BOOL isSelected;

}ItemSelectArgs;

struct BoxItemUpdateArg

{

RECT rcBegin;

}BoxItemUpdateArgs;

struct BoxRenameArg

{

wchar_t *pszName;

}BoxRenameArgs;

struct FileChangeArg

{

LPITEMIDLIST pItem;

LPITEMIDLIST pAdditionItem;

}FileChangeArgs;

struct RightMenuResponseArg

{

int nX;

int nY;

}MenuResponse;

struct StringArg

{

const wchar_t *pszName;

}StringArgs;

}Data;

};

比如这样一个结构体参数param,它包了一个联合体,这样做的思路也很清晰,接口这么定义:void A(const param& p);当需要变时,就去改param里面的结构就好,外头不用动。里面增加了联合体的包装,其实是把这种思路优化了一把,因为如果param使用场合很多,用到N多种结构体,那么一个param对象就占用很多内存,而我们知道联合体并不会给它的每一个成员分配内存,而是用它内存需要最多的那个成员的内存长度作为整个联合体的内存长度,这样,就着实省了一把内存。

这样的涉及,比较常见的应用场合貌似是消息的响应,似乎MFC里的消息响应就是这么涉及的,Mouse消息、LBtn消息等等各自有不同的子struct包在联合体内。

3.json做参数

json做为一种小巧轻便易解析,最重要的强大的可修改性和可扩展性(这点有上面第二点struct+union的意思,但更强大)的玩意,不做参数实在是有点可惜,貌似我知道的的比较早的使用在网络传输,以及客户端和web方通信上比较多,其实网络传输也可以看成是一次函数调用嘛,那json就可以理解成这个函数调用的参数了。

4.模版

模版生来就是为了泛化的,经典的 int Add(int a, int b)经过模版化后就可以处理所有数值类型的加法操作了,但问题是什么呢?问题就是模版函数或模板类不适合作为模块接口,如果是在模块内用模版那是完美的设计,但如果在模块接口一级用模版,那就悲催了。因为上面说了,模块一般是以头文件+DLL的方式提供,而模版的一个特点就是不支持分离编译(这个不清楚的自行google),就是说,模版的实例化是要在编译时才决定的,你把模版函数的声明和实现分别放在头文件和cpp中,那是不行滴,必须都放在头文件中,那这样也就不叫模块话了,直接全给头文件就行了,boost大部分是这么搞的。

5.boost::any

这个东西是boost提供的又一牛逼东西,实现了类似于var j = ...的傻瓜式参数类型,相当于把本身强类型的C/C++中的参数封装成javascript中的弱类型。

[html] view plain copy

void my_func(boost::any a)

{

if(a.type() == typeid(int))

{

//int类型

}

else if(a.type() == typeid(string))

{

//string类型

}

//...

}

my_func(10);

my_func("123");

class custom

{

int b;

double d;

};

custom cus;

my_func(cus);

[html] view plain copy

<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">

</span>

[html] view plain copy

<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">或</span>

[html] view plain copy

<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">

</span>

[html] view plain copy

typedef std::list<boost::any> list_any;

list__back(10);

list__back("123");

class custom

{

int b;

double c;

char *p;

};

custom cus;

list__back(cus);

[html] view plain copy

<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">

</span>

[html] view plain copy

<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">一个python中的列表就诞生了。</span>

[html] view plain copy

<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">貌似设计模式里的开放封闭原则套到函数参数的设计上也是适用的吧,提高参数扩展性,尽量不修改。</span>

设计模式(Design Patterns)

――可复用面向对象软件的基础

设计模式(Design pattern)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。

毫无疑问,设计模式于己于他人于系统都是多赢的,设计模式使代码编制真正工程化,设计模式是软件工程的基石,如同大厦的一块块砖石一样。项目中合理的运用设计模式可以完美的解决很多问题,每种模式在现在中都有相应的原理来与之对应,每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题,以及该问题的核心解决方案,这也是它能被广泛应用的原因。

一、设计模式的分类

总体来说设计模式分为三大类:

创建型模式,共五种:工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。

结构型模式,共七种:适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

行为型模式,共十一种:策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

其实还有两类:并发型模式和线程池模式。用一个图片来整体描述一下:

二、设计模式的六大原则

1、开闭原则(Open Close Principle)

开闭原则就是说对扩展开放,对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候,不能去修改原有的代码,实现一个热插拔的效果。所以一句话概括就是:为了使程序的扩展性好,易于维护和升级。想要达到这样的效果,我们需要使用接口和抽象类,后面的具体设计中我们会提到这点。

2、里氏代换原则(Liskov Substitution Principle)

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。

里氏代换原则中说,任何基类可以出现的地方,子类一定可以出现。

LSP是继承复用的基石,只有当衍生类可以替换掉基类,软件单位的功能不受到影响时,基类才能真正被复用,而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现,所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。―― From Baidu 百科

3、依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)

这个是开闭原则的基础,具体内容:真对接口编程,依赖于抽象而不依赖于具体。

4、接口隔离原则(Interface Segregation Principle)

这个原则的意思是:使用多个隔离的接口,比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思,从这儿我们看出,其实设计模式就是一个软件的设计思想,从大型软件架构出发,为了升级和维护方便。所以上文中多次出现:降低依赖,降低耦合。

5、迪米特法则(最少知道原则)(Demeter Principle)

为什么叫最少知道原则,就是说:一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用,使得系统功能模块相对独立。

6、合成复用原则(Composite Reuse Principle)

原则是尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承。

三、Java的23中设计模式

从这一块开始,我们详细介绍Java中23种设计模式的概念,应用场景等情况,并结合他们的特点及设计模式的原则进行分析。

1、工厂方法模式(Factory Method)

工厂方法模式分为三种:

11、普通工厂模式,就是建立一个工厂类,对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。首先看下关系图:

举例如下:(我们举一个发送邮件和短信的例子)

首先,创建二者的共同接口:

[java]view plaincopy publicinterfaceSender{publicvoidSend();}

其次,创建实现类:

[java]view plaincopy publicclassMailSenderimplementsSender{@OverridepublicvoidSend(){("thisismailsender!");}} [java]view plaincopy publicclassSmsSenderimplementsSender{@OverridepublicvoidSend(){("thisissmssender!");}}

最后,建工厂类:

[java]view plaincopy publicclassSendFactory{publicSenderproduce(Stringtype){if("mail".equals(type)){returnnewMailSender();}elseif("sms".equals(type)){returnnewSmsSender();}else{("请输入正确的类型!");returnnull;}}}

我们来测试下:

publicclassFactoryTest{publicstaticvoidmain(String[]args){SendFactoryfactory=newSendFactory();Sendersender=("sms");();}}

输出:this is sms sender!

22、多个工厂方法模式,是对普通工厂方法模式的改进,在普通工厂方法模式中,如果传递的字符串出错,则不能正确创建对象,而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法,分别创建对象。关系图:

将上面的代码做下修改,改动下SendFactory类就行,如下:

[java]view plaincopypublicclassSendFactory{publicSenderproduceMail(){ returnnewMailSender();}publicSenderproduceSms(){returnnewSmsSender();}}

测试类如下:

[java]view plaincopy publicclassFactoryTest{publicstaticvoidmain(String[]args){SendFactoryfactory=newSendFactory();Sendersender=();();}}

输出:this is mailsender!

33、静态工厂方法模式,将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的,不需要创建实例,直接调用即可。

[java]view plaincopy publicclassSendFactory{publicstaticSenderproduceMail(){returnnewMailSender();}publicstaticSenderproduceSms(){returnnewSmsSender();}} [java]view plaincopy publicclassFactoryTest{publicstaticvoidmain(String[]args){Sendersender=();();}}

输出:this is mailsender!

总体来说,工厂模式适合:凡是出现了大量的产品需要创建,并且具有共同的接口时,可以通过工厂方法模式进行创建。在以上的三种模式中,第一种如果传入的字符串有误,不能正确创建对象,第三种相对于第二种,不需要实例化工厂类,所以,大多数情况下,我们会选用第三种――静态工厂方法模式。

2、抽象工厂模式(Abstract Factory)

工厂方法模式有一个问题就是,类的创建依赖工厂类,也就是说,如果想要拓展程序,必须对工厂类进行修改,这违背了闭包原则,所以,从设计角度考虑,有一定的问题,如何解决?就用到抽象工厂模式,创建多个工厂类,这样一旦需要增加新的功能,直接增加新的工厂类就可以了,不需要修改之前的代码。因为抽象工厂不太好理解,我们先看看图,然后就和代码,就比较容易理解。

请看例子:

[java]view plaincopy publicinterfaceSender{publicvoidSend();}

两个实现类:

[java]view plaincopy publicclassMailSenderimplementsSender{@OverridepublicvoidSend(){("thisismailsender!");}} [java]view plaincopy publicclassSmsSenderimplementsSender{@OverridepublicvoidSend(){("thisissmssender!");}}

两个工厂类:

[java]view plaincopy publicclassSendMailFactoryimplementsProvider{@OverridepublicSenderproduce(){returnnewMailSender();}} [java]view plaincopy publicclassSendSmsFactoryimplementsProvider{@OverridepublicSenderproduce(){returnnewSmsSender();}}

在提供一个接口:

[java]view plaincopy publicinterfaceProvider{publicSenderproduce();}

测试类:

[java]view plaincopy publicclassTest{publicstaticvoidmain(String[]args){Providerprovider=newSendMailFactory();Sendersender=();();}}

其实这个模式的好处就是,如果你现在想增加一个功能:发及时信息,则只需做一个实现类,实现Sender接口,同时做一个工厂类,实现Provider接口,就OK了,无需去改动现成的代码。这样做,拓展性较好!

3、单例模式(Singleton)

单例对象(Singleton)是一种常用的设计模式。在Java应用中,单例对象能保证在一个JVM中,该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处:

1、某些类创建比较频繁,对于一些大型的对象,这是一笔很大的系统开销。

2、省去了new操作符,降低了系统内存的使用频率,减轻GC压力。

3、有些类如交易所的核心交易引擎,控制着交易流程,如果该类可以创建多个的话,系统完全乱了。(比如一个军队出现了多个司令员同时指挥,肯定会乱成一团),所以只有使用单例模式,才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

首先我们写一个简单的单例类:

[java]view plaincopy publicclassSingleton{/*持有私有静态实例,防止被引用,此处赋值为null,目的是实现延迟加载*/privatestaticSingletoninstance=null;/*私有构造方法,防止被实例化*/privateSingleton(){}/*静态工程方法,创建实例*/publicstaticSingletongetInstance(){if(instance==null){instance=newSingleton();}returninstance;}/*如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致*/publicObjectreadResolve(){returninstance;}}

这个类可以满足基本要求,但是,像这样毫无线程安全保护的类,如果我们把它放入多线程的环境下,肯定就会出现问题了,如何解决?我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字,如下:

[java]view plaincopy publicstaticsynchronizedSingletongetInstance(){if(instance==null){instance=newSingleton();}returninstance;}

但是,synchronized关键字锁住的是这个对象,这样的用法,在性能上会有所下降,因为每次调用getInstance(),都要对对象上锁,事实上,只有在第一次创建对象的时候需要加锁,之后就不需要了,所以,这个地方需要改进。我们改成下面这个:

[java]view plaincopy publicstaticSingletongetInstance(){if(instance==null){synchronized(instance){if(instance==null){instance=newSingleton();}}}returninstance;}

似乎解决了之前提到的问题,将synchronized关键字加在了内部,也就是说当调用的时候是不需要加锁的,只有在instance为null,并创建对象的时候才需要加锁,性能有一定的提升。但是,这样的情况,还是有可能有问题的,看下面的情况:在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的,也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序,也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间,然后直接赋值给instance成员,然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了,我们以A、B两个线程为例:

a>A、B线程同时进入了第一个if判断

b>A首先进入synchronized块,由于instance为null,所以它执行instance = new Singleton();

c>由于JVM内部的优化机制,JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存,并赋值给instance成员(注意此时JVM没有开始初始化这个实例),然后A离开了synchronized块。

d>B进入synchronized块,由于instance此时不是null,因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

e>此时B线程打算使用Singleton实例,却发现它没有被初始化,于是错误发生了。

所以程序还是有可能发生错误,其实程序在运行过程是很复杂的,从这点我们就可以看出,尤其是在写多线程环境下的程序更有难度,有挑战性。我们对该程序做进一步优化:

[java]view plaincopy privatestaticclassSingletonFactory{privatestaticSingletoninstance=newSingleton();}publicstaticSingletongetInstance(){;}

实际情况是,单例模式使用内部类来维护单例的实现,JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候,这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候,JVM能够帮我们保证instance只被创建一次,并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕,这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制,这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式:

[java]view plaincopy publicclassSingleton{/*私有构造方法,防止被实例化*/privateSingleton(){}/*此处使用一个内部类来维护单例*/privatestaticclassSingletonFactory{privatestaticSingletoninstance=newSingleton();}/*获取实例*/publicstaticSingletongetInstance(){;}/*如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致*/publicObjectreadResolve(){returngetInstance();}}

其实说它完美,也不一定,如果在构造函数中抛出异常,实例将永远得不到创建,也会出错。所以说,十分完美的东西是没有的,我们只能根据实际情况,选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现:因为我们只需要在创建类的时候进行同步,所以只要将创建和getInstance()分开,单独为创建加synchronized关键字,也是可以的:

[java]view plaincopy publicclassSingletonTest{privatestaticSingletonTestinstance=null;privateSingletonTest(){}privatestaticsynchronizedvoidsyncInit(){if(instance==null){instance=newSingletonTest();}}publicstaticSingletonTestgetInstance(){if(instance==null){syncInit();}returninstance;}}

考虑性能的话,整个程序只需创建一次实例,所以性能也不会有什么影响。

补充:采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新

[java]view plaincopy publicclassSingletonTest{privatestaticSingletonTestinstance=null;privateVectorproperties=null;publicVectorgetProperties(){returnproperties;}privateSingletonTest(){}privatestaticsynchronizedvoidsyncInit(){if(instance==null){instance=newSingletonTest();}}publicstaticSingletonTestgetInstance(){if(instance==null){syncInit();}returninstance;}publicvoidupdateProperties(){SingletonTestshadow=newSingletonTest();properties=();}}

通过单例模式的学习告诉我们:

1、单例模式理解起来简单,但是具体实现起来还是有一定的难度。

2、synchronized关键字锁定的是对象,在用的时候,一定要在恰当的地方使用(注意需要使用锁的对象和过程,可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁)。

到这儿,单例模式基本已经讲完了,结尾处,笔者突然想到另一个问题,就是采用类的静态方法,实现单例模式的效果,也是可行的,此处二者有什么不同?

首先,静态类不能实现接口。(从类的角度说是可以的,但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法,所以即使实现了也是非静态的)

其次,单例可以被延迟初始化,静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载,是因为有些类比较庞大,所以延迟加载有助于提升性能。

再次,单例类可以被继承,他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static,无法被覆写。

最后一点,单例类比较灵活,毕竟从实现上只是一个普通的Java类,只要满足单例的基本需求,你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能,但是静态类不行。从上面这些概括中,基本可以看出二者的区别,但是,从另一方面讲,我们上面最后实现的那个单例模式,内部就是用一个静态类来实现的,所以,二者有很大的关联,只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合,才能造就出完美的解决方案,就像HashMap采用数组+链表来实现一样,其实生活中很多事情都是这样,单用不同的方法来处理问题,总是有优点也有缺点,最完美的方法是,结合各个方法的优点,才能最好的解决问题!

4、建造者模式(Builder)

工厂类模式提供的是创建单个类的模式,而建造者模式则是将各种产品集中起来进行管理,用来创建复合对象,所谓复合对象就是指某个类具有不同的属性,其实建造者模式就是前面抽象工厂模式和最后的Test结合起来得到的。我们看一下代码:

还和前面一样,一个Sender接口,两个实现类MailSender和SmsSender。最后,建造者类如下: [java]view plaincopy publicclassBuilder{privateList list=newArrayList ();publicvoidproduceMailSender(intcount){for(inti=0;i0){pos--;}(pos);}@OverridepublicObjectnext(){if(pos