24 种 Java 设计模式的完整分类及说明

原创于 2025-12-23 08:57:06 发布 · 296 阅读

3 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#java

以下是24 种 Java 设计模式的完整分类及说明（按创建型、结构型、行为型三大类划分）：

一、创建型模式（6 种）：负责对象的创建，隐藏创建细节

创建型模式关注如何灵活、安全地创建对象，避免直接使用 new关键字，提高代码的可维护性和扩展性。

简单工厂模式（Simple Factory）
- 核心：通过一个静态工厂类，根据参数返回不同产品的实例（如 Integer.valueOf()）。
- 应用场景：产品种类少且稳定（如日志工具、配置管理器）。
- 特点：集中管理创建逻辑，但新增产品需修改工厂类（违反开闭原则）。
工厂方法模式（Factory Method）
- 核心：定义创建对象的接口，由子类决定实例化哪个类（如 JDBC的 DriverManager.getConnection()）。
- 应用场景：需要灵活扩展产品类型（如数据库驱动、日志框架）。
- 特点：符合开闭原则，新增产品只需添加工厂子类。
抽象工厂模式（Abstract Factory）
- 核心：提供一个接口，用于创建一系列相关或依赖对象的家族（如 Swing的 LookAndFeel工厂）。
- 应用场景：需要创建产品族（如不同操作系统的 UI 组件：Windows/Mac 按钮+文本框）。
- 特点：确保产品族的一致性，但扩展新产品族需修改抽象工厂接口（违反开闭原则）。
单例模式（Singleton）
- 核心：确保一个类仅有一个实例，并提供全局唯一访问点（如 Spring的 BeanFactory、配置管理器）。
- 应用场景：需要全局唯一实例的对象（如数据库连接池、缓存）。
- 特点：线程安全（双重检查锁定、静态内部类）、延迟初始化。
建造者模式（Builder）
- 核心：将复杂对象的构建与表示分离，通过指挥者（Director）控制构建过程（如 StringBuilder、HttpRequest.builder()）。
- 应用场景：构建参数众多的对象（如 HTTP 请求、配置文件）。
- 特点：支持链式调用，隐藏构建细节。
原型模式（Prototype）
- 核心：通过复制现有对象（原型）创建新对象（如 Java的 clone()方法、BeanUtils.copyProperties()）。
- 应用场景：对象创建成本高（如数据库查询结果、配置对象）或需要大量相似对象（如游戏中的精灵）。
- 特点：避免重复初始化，分为浅拷贝（复制引用）和深拷贝（复制对象本身）。

二、结构型模式（7 种）：负责类或对象的组合，形成更大的结构

结构型模式关注如何将类或对象组合成更灵活的结构，解决类之间的耦合问题。

适配器模式（Adapter）
- 核心：将一个类的接口转换成客户端期望的另一个接口（如 Java的 InputStreamReader（字节流→字符流）、第三方库适配）。
- 应用场景：集成第三方库（如 Redis客户端的 JedisAdapter）、兼容旧系统。
- 特点：对象适配器（组合，推荐） vs 类适配器（继承，不推荐）。
桥接模式（Bridge）
- 核心：将抽象部分与实现部分分离，使它们可独立变化（如 Java的 AWT（抽象窗口工具包）、JDBC驱动）。
- 应用场景：多维度变化（如不同形状的按钮、不同数据库的连接）。
- 特点：避免子类爆炸（如 WindowsButton、MacButton、LinuxButton），提高扩展性。
组合模式（Composite）
- 核心：将对象组合成树形结构，以表示“部分-整体”层次（如 Java的 File类、UI控件树）。
- 应用场景：树形结构（如文件系统、菜单、组织架构）。
- 特点：统一接口（Component），支持递归遍历（如 File.listFiles()）。
装饰器模式（Decorator）
- 核心：动态地给对象添加职责，而不影响其他对象（如 Java的 IO流（BufferedInputStream、DataInputStream）、Spring的 @Transactional）。
- 应用场景：功能扩展（如给咖啡加牛奶、糖；给方法加日志、事务）。
- 特点：比继承更灵活，支持叠加装饰（如 BufferedInputStream(FileInputStream)）。
外观模式（Facade）
- 核心：为子系统提供统一的高层接口，简化客户端使用（如 Java的 JDBC（DriverManager.getConnection()）、Spring的 ApplicationContext）。
- 应用场景：复杂库的简化（如 Hibernate的 Session、微服务网关）。
- 特点：不封装子系统，仅提供便捷入口。
享元模式（Flyweight）
- 核心：通过共享技术有效支持大量细粒度对象（如 Java的 String常量池、Integer缓存（-128~127））。
- 应用场景：对象创建代价高（如文本编辑器中的字符、游戏中的子弹/粒子）。
- 特点：分离内在状态（可共享，如字符编码）和外在状态（不可共享，如字符位置）。
代理模式（Proxy）
- 核心：为其他对象提供代理，以控制对该对象的访问（如 Java的动态代理（JDK、CGLIB）、Spring的 AOP）。
- 应用场景：远程代理（RPC调用）、虚拟代理（延迟加载，如图片缩略图）、保护代理（权限控制）、智能引用（引用计数、日志）。
- 特点：静态代理（需实现相同接口） vs 动态代理（无需实现接口，更灵活）。

三、行为型模式（11 种）：负责对象之间的交互及算法分配

行为型模式关注对象之间的通讯和职责分配，解决对象之间的耦合问题。

责任链模式（Chain of Responsibility）
- 核心：使多个对象有机会处理请求，避免请求发送者与接收者耦合（如 Java的 Servlet过滤器、Spring的 Interceptor、审批流程）。
- 应用场景：请求处理链（如日志过滤、权限校验、工作流）。
- 特点：每个处理器持有下一个处理器的引用，支持动态调整处理顺序。
命令模式（Command）
- 核心：将请求封装为对象，使你可以参数化客户、队列请求、记录日志、支持撤销（如 Java的 Runnable、Spring的 JdbcTemplate）。
- 应用场景：命令队列（如任务调度）、撤销/重做（如文本编辑器）、远程调用（如 RPC）。
- 特点：分离调用者（Invoker）与执行者（Receiver），支持命令的持久化和回滚。
解释器模式（Interpreter）
- 核心：定义语言文法，并解释该语言中的句子（如 Java的正则表达式引擎、SQL解析器、规则引擎）。
- 应用场景：需要解释特定语言的场景（如数学表达式、配置文件）。
- 特点：文法规则（终结符/非终结符表达式）、上下文（存储解释状态）。
迭代器模式（Iterator）
- 核心：提供一种方法顺序访问聚合对象的元素，而不暴露其内部表示（如 Java的 Iterable、Iterator、List/Set的遍历）。
- 应用场景：需要遍历集合对象的场景（如 ArrayList、HashSet、TreeMap）。
- 特点：支持多种遍历方式（正向、反向、层级），隐藏集合的内部结构。
中介者模式（Mediator）
- 核心：用一个中介对象封装一系列对象交互，降低耦合（如 Java的 ChatRoom、GUI组件协调、航空管制）。
- 应用场景：对象之间需要频繁交互（如聊天室、多人游戏、工作流引擎）。
- 特点：中介者持有所有对象的引用，统一处理交互逻辑。
备忘录模式（Memento）
- 核心：在不破坏封装性的前提下捕获并外部化对象内部状态，以便恢复（如 Java的 ThreadLocal、Spring的 TransactionSynchronization）。
- 应用场景：撤销操作（Ctrl+Z）、游戏存档、事务回滚。
- 特点：备忘录（Memento）存储对象状态，管理者（Caretaker）保管备忘录，原对象（Originator）恢复状态。
观察者模式（Observer）
- 核心：定义对象间一对多的依赖，当对象改变状态时，所有依赖者自动更新（如 Java的 Observable/Observer、Spring的 ApplicationEvent、事件总线）。
- 应用场景：事件驱动（如按钮点击、消息订阅）、发布-订阅（Pub/Sub）。
- 特点：主题（Subject）维护观察者列表，观察者（Observer）实现更新方法。
状态模式（State）
- 核心：允许对象在其内部状态改变时改变其行为（如 Java的 Thread状态（新建、运行、阻塞）、TCP连接状态（建立、传输、关闭））。
- 应用场景：对象状态变化影响行为（如订单状态（待支付、已支付、已发货）、游戏角色状态（正常、眩晕、死亡））。
- 特点：状态接口（State）定义行为，上下文（Context）委托给当前状态。
策略模式（Strategy）
- 核心：定义一系列算法，把它们封装起来，并使它们可互相替换（如 Java的 Comparator、Spring的 Resource、支付方式（支付宝、微信、银行卡））。
- 应用场景：算法切换（如排序算法（冒泡、快速、归并）、折扣策略（8折、满减、优惠券））。
- 特点：策略接口（Strategy）定义算法，上下文（Context）持有策略引用。
模板方法模式（Template Method）
- 核心：定义算法骨架，将一些步骤延迟到子类（如 Java的 HttpServlet（doGet()/doPost()）、JUnit测试生命周期（setUp()/tearDown()））。
- 应用场景：算法步骤固定，部分步骤可自定义（如文档生成、数据处理流程）。
- 特点：模板方法（templateMethod()）定义骨架，钩子方法（primitiveOperation()）允许子类扩展。
访问者模式（Visitor）
- 核心：表示一个作用于某对象结构中各元素的操作，可在不改变元素类的前提下定义新操作（如 Java的 AST（抽象语法树）遍历、报表生成）。
- 应用场景：需要添加新操作但不想修改元素类（如编译器的语法分析、数据结构的遍历）。
- 特点：元素（Element）接受访问者（Visitor），访问者实现操作方法。

四、补充说明：24 种设计模式的来源

GoF 23 种：由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson、John Vlissides 四位作者在《设计模式：可复用面向对象软件的基础》（1994 年）一书中提出，是设计模式的经典集合。
第 24 种（简单工厂模式）：部分资料将其补充为第 24 种，因它是工厂方法模式的简化版，更常用（如 Integer.valueOf()、LoggerFactory.getLogger()）。

五、设计模式的最佳实践

遵循 SOLID 原则：尤其是开闭原则（对扩展开放，对修改关闭）、单一职责原则（一个类只负责一项职责）。
避免过度设计：不要为了使用设计模式而使用，需根据实际场景选择（如简单场景无需用抽象工厂模式）。
结合框架使用：Spring、MyBatis等框架已大量使用设计模式（如 Spring的 IOC（工厂模式）、AOP（代理模式）、MVC（模板方法模式）），学习框架源码可加深对设计模式的理解。