设计模式学习（二）——创建型模式（单例、工厂、建造者）

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本文探讨了单例模式的提前加载与延迟加载，工厂模式（包括简单工厂、工厂方法和抽象工厂），以及建造者模式的实现与区别。从实例化策略到对象创建的灵活性，揭示了设计模式在软件工程中的核心思想和应用技巧。

文章目录

单例模式
- 提前加载模式：
- 延迟加载：
工厂模式
建造者模式
- 正常的建造者模式
- 拥有方法链的匿名建造者：

单例模式

单例模式：保证一个类仅有一个实例，并且这个类提供一个全局的访问接口，某些对象在全局只需要一个，就可以使用单例模式。

单例模式的创建可以分为两种模式：提前加载和延迟加载。

提前加载模式：

    public class Singleton {
        
        private static Singleton instance = new Singleton();
        private Singleton(){}
        
        public static Singleton getInstance(){
            return instance;
        }
    }

也叫饿汉式，它通过静态变量实现了全局只保证存在一个实例，保证了线程安全。但是，这种方式有一个明显的缺点，如果在程序某一次执行时一直没有用到这个实例，那就造成了资源的浪费，同时，使用全局变量也使程序变得难以调试与维护。

枚举方式：

public enum Singleton {
	 //定义一个枚举的元素，它就是 Singleton 的一个实例
    INSTANCE;  
    
    public void doSomething(){}
}

//使用方法
public class Test {

	public static void main(String[] args) {
		Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;
		singleton.doSomething();

	}
}

延迟加载：

public class Singleton {  

      private static Singleton instance;  
      private Singleton (){ }   

      public static Singleton getInstance() {
          //判断当前单例是否已经存在，若存在则返回，不存在则再建立单例
	      if (instance == null) {  
              // 1
	          instance = new Singleton();  
	      }  
	      return instance;  
      }  
 }

上面创建单例是存在问题的，当一个线程走到 1 是，尚未来得及创建出对象，另一个线程也走到 1，就会打破单例，创建出多个对象。要解决线程安全问题，我们可以给 getInstance() 这个方法加一个 synchronized 关键字，或者使用 synchronized() 修饰这段代码块，具体如下：

// 1.
public class Singleton {  

      private static Singleton instance;  
      private Singleton (){ }   

      public static synchronized Singleton getInstance() {
      
	      if (instance == null) {  
	          instance = new Singleton();  
	      }  
	      return instance;  
      }  
 }
// 2.
public class Singleton {  

      private static Singleton instance;  
      private Singleton (){ }   

      public static Singleton getInstance() {
      
      	synchronized(this) {
      		if (instance == null) {  
	          	instance = new Singleton();  
	      	}  
      	} 
      	return instance;
      }  
 }

这样，我们就解决了线程安全的问题。但这样又会出现一个问题，每次调用 getInstance() 都会经过加锁这一层，会带来很多不必要的时间消耗，所以，我们在锁外在进行一次判断就会大大节省开支：

public class Singleton {  

      private volatile static Singleton instance;  
      private Singleton (){ }   

      public static Singleton getInstance() {
      	if (instance == null) {
      		synchronized(this) {
      			if (instance == null) {  
	          		instance = new Singleton();  
	      		}  
      		} 
      	}
      	return instance;
      }  
 }

这里，我们还加了 volatile 关键字来保证对象在创建时，多线程对其的正确处理。这样，已经完全可以确保线程安全了。

工厂模式

简单工厂模式：

也叫静态工厂模式，客户传入不同的参数，就可以得到不同的对象。

// 产品接口:手机是产品，里面有个方法可以展示操作系统
public interface Phone {
    
    void showSystem();
    
}

// 具体产品 Android or iOS
public class AndroidPhone implements Phone{
    @Override
    public void showSystem() {
        System.out.println("我是Android系统");
    }
}

public class iOSPhone implements Phone{
    @Override
    public void showSystem() {
        System.out.println("我是iOS系统");
    }
}

// 工厂负责按需造手机
public class PhoneFactory {

    public static Phone create(String phone){

        Phone mPhone;

        switch (phone){

            case "Android":
                mPhone = new AndroidPhone();
                break;
            case "iOS":
                mPhone = new iOSPhone();
                break;
            default:
                throw new IllegalStateException("Unexpected value: " + phone);
        }
        return mPhone;
    }

}

// 客户就可以得到想要的手机了
public class Customer {

    @Test
    public void test(){

        // 来个Android的
        Phone Android = PhoneFactory.create("Android");
        Android.showSystem();

    }
}

工厂方法模式：

是简单工厂模式的进一步深化，我们不再提供统一的工厂去创建对象，在工厂方法模式中，工厂类被抽象化，继而由它的子类去实现对象的实例化。这样我们在扩展工厂时就不会破坏开闭原则。

//工厂接口
public interface PhoneFactory {

      Phone create();

}

//工厂具体
public class AndroidFactory implements PhoneFactory{
    @Override
    public Phone create() {
        return new AndroidPhone();
    }
}

public class iOSFactory implements PhoneFactory{
    @Override
    public Phone create() {
        return new iOSPhone();
    }
}

//客户
public class Customer {

    @Test
    public void test(){

        // 来一个Android的
        AndroidFactory androidFactory = new AndroidFactory();
        Phone android = androidFactory.create();
        android.showSystem();
    }
}

随着国产手机操作系统的崛起，我们是时候扩展扩展我们的工厂了：

//新增手机
public class HarmonyPhone implements Phone{

    @Override
    public void showSystem() {
        System.out.println("我是鸿蒙的");
    }
}

//新增工厂
public class HarmonyOSFactory implements PhoneFactory{
    @Override
    public Phone create() {
        return new HarmonyPhone();
    }
}

//客户
public class Customer {

    @Test
    public void test(){

        // 来一个Android的
        AndroidFactory androidFactory = new AndroidFactory();
        Phone android = androidFactory.create();
        android.showSystem();

        // 来个鸿蒙的
        HarmonyOSFactory harmonyOSFactory = new HarmonyOSFactory();
        Phone harmony = harmonyOSFactory.create();
        harmony.showSystem();
    }
}

这就是工厂方法模式。但是随着我们产品的增多，代码量巨增。

抽象工厂模式：

抽象工厂模式又是工厂方法模式的扩展版，它不再创建一个单一的对象，而是创建一系列相关的对象。

继续拿上面的例子来说，手机除了操作系统，还分国产和进口。

//国产Android手机
public class ChinaAndroid implements AndroidPhone{
    @Override
    public void showSystem() {
        System.out.println("国产Android");
    }
}

//国产iOS手机
public class ChinaIOS implements iOSPhone{
    @Override
    public void showSystem() {
        System.out.println("国产iOS");
    }
}

//进口Android手机
public class ImportAndroid implements AndroidPhone{
    @Override
    public void showSystem() {
        System.out.println("进口Android");
    }
}

//进口iOS手机
public class ImportIOS implements iOSPhone{
    @Override
    public void showSystem() {
        System.out.println("进口iOS");
    }
}

//国产工厂
public class ChinaFactory implements PhoneFactory{
    @Override
    public AndroidPhone createAndroid() {
        return new ChinaAndroid();
    }

    @Override
    public iOSPhone createiOS() {
        return new ChinaIOS();
    }
}

//进口工厂
public class ImportFactory implements PhoneFactory{
    @Override
    public AndroidPhone createAndroid() {
        return new ImportAndroid();
    }

    @Override
    public iOSPhone createiOS() {
        return new ImportIOS();
    }
}

//客户
public class Customer {

    @Test
    public void test(){
        // 国产工厂
        PhoneFactory chinaFactory = new ChinaFactory();
        AndroidPhone androidPhone = chinaFactory.createAndroid();
        iOSPhone iOSPhone = chinaFactory.createiOS();
        androidPhone.showSystem();
        iOSPhone.showSystem();

    }
}

OK，这就是抽象工厂模式。

介绍到这里，我们发现三种不同的方式存在着很多重叠的地方，而且，设计模式并不存在着明确的定义，关键在于要了解其中的核心思想。工厂模式的核心概念就是利用工厂来创建对象，而不应该将对象的创建交给一个和此对象无关的类，就上面例子而言，难道客户还要负责去自己造出一个手机吗？

建造者模式

正常的建造者模式

建造者模式允许用户在不知道内部构造的情况下，一步步精细控制对象的构造流程来创造出一个复杂对象。当我们构建不同的对象时，可以通过构造不同的建造者来进行实例化。

建造者包含以下类：

Product（产品类）：这是需要为它构建的类。
Builder（抽象建造者类）：用于声明需要构建产品的组成部分。
ConcreteBuilder（具体建造者）：实现抽象建造者中声明的方法。
Director（指挥者）：指导如何构建对象的类。

举个例子，构建一个程序员？

//产品类
public class Programmer {

    private int age;

    private String language;

    private int salary;

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public void setLanguage(String language) {
        this.language = language;
    }

    public void setSalary(int salary) {
        this.salary = salary;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public int getSalary() {
        return salary;
    }

    public String getLanguage() {
        return language;
    }
}

//抽象构建者
abstract class Builder {

    abstract void buildAge();

    abstract void buildSalary();

    abstract void buildlanguage();

}

//具体构建者
public class ConcreteBuilder extends Builder{

    Programmer programmer = new Programmer();

    @Override
    void buildAge() {
       programmer.setAge(25);
    }

    @Override
    void buildSalary() {
        programmer.setSalary(20000);
    }

    @Override
    void buildlanguage() {
        programmer.setLanguage("Java");
    }
}

//指导类
public class Director {

    public void construct(Builder builder){
        builder.buildAge();
        builder.buildSalary();
        builder.buildlanguage();
    }

}

//Boss
public class Boss {

    @Test
    public void test(){
        Director director = new Director();
        ConcreteBuilder concreteBuilder = new ConcreteBuilder();
        director.construct(concreteBuilder);
        Programmer programmer = concreteBuilder.programmer;
        System.out.println("age: " + programmer.getAge() + "\n" +
                            "salary: " + programmer.getSalary() + "\n" +
                            "language: " + programmer.getLanguage());

    }

}

拥有方法链的匿名建造者：

我们再举一个例子

public class Computer {
    protected String mBoard;
    protected String mDisplay;
    protected String mCpu;
    protected String mGpu;
    protected String mOs;

    public void setBoard(String board) {
        mBoard = board;
    }

    public void setDisplay(String display) {
        mDisplay = display;
    }

    public void setCpu(String cpu) {
        mCpu = cpu;
    }

    public void setGpu(String gpu) {
        mGpu = gpu;
    }

    public void setOs(String os) {
        mOs = os;
    }

    public static class Builder {
        Computer computer;

        public Builder() {
            computer = new Computer();
        }

        public Builder board(String board) {
            computer.setBoard(board);
            return this;
        }

        public Builder display(String display) {
            computer.setDisplay(display);
            return this;
        }

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

        public Builder gpu(String gpu) {
            computer.setGpu(gpu);
            return this;
        }

        public Builder os(String os) {
            computer.setOs(os);
            return this;
        }

        public Computer build() {
            return computer;
        }
    }
}

//使用方法
public void compyter(){

    Computer computer = new Computer.Builder()
                        .board("")
                        .display("")
                        .cpu("")
                        .gpu("")
                        .os("")
                        .build();
    }