设计模式使用场景、优缺点汇总

原创

mb5fdcae3079e89 2021-01-15 12:30:58 ©著作权

文章标签 java 文章分类 Java 后端开发

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创建型

1、单例模式：

Singleton Design Pattern
一个类只允许创建一个对象（或者实例），这个类就是一个单例类
单例的实现：饿汉式、懒汉式、双重检查、静态内部类、枚举
作用：避免频繁创建和销毁系统全局使用的对象
应用场景：全局唯一类，如系统配置类、系统硬件资源访问类；公共服务类：如 servlet、springmvc 中的 bean、数据库连接池；Web 计数器、序列号生成器
缺陷：对 OOP 特性的支持不友好、隐藏类之间的依赖关系、对代码的扩展性不友好、对代码的可测试性不友好、不支持有参数的构造函数
替代方案：程序员控制、工厂模式、IOC 容器
扩展：线程纬度的单例、集群环境下的单例、多例模式

2、工厂模式：

Factory Design Pattern
分为：简单工厂、工厂方法和抽象工厂。简单工厂可以看作是工厂方法的一种特例
作用：封装变化（创建逻辑有可能变化，封装成工厂类之后，创建逻辑的变更对调用者透明）、代码复用（创建代码抽离到独立的工厂类之后可以复用）、隔离复杂性（封装复杂的创建逻辑，调用者无需了解如何创建对象）、控制复杂度（将创建代码抽离出来，让原本的函数或类职责更单一，代码更简洁）
简单工厂适用场景：对象的创建逻辑比较简单，if-else 并不多
工厂方法适用场景：对象的创建逻辑比较复杂，不只是简单的 new 一下就可以，而是要组合其他类对象，做各种初始化操作；避免 if-else
抽象工厂适用场景：可以创建多种不同类型的工厂，能够创建一簇对象，减少了工厂类
简单工厂、工厂方法、抽象工厂之间的关系与选择：如果实例对象的创建逻辑并发不复杂、实例对象的种类并不多即 if 分支不多，且基本不会有太大变动，使用简单工厂模式；需要创建的实例化对象种类较多、变动可能性大、对象的创建逻辑比较复杂，使用工厂方法，可以去除 if 多分支、将复杂的对象创建逻辑封装到每个具体工厂中；抽象工厂的使用并不多，适用于实例对象的层级逻辑比较复杂，抽象出多个实例对象组，每个工厂创建一组实例对象

3、建造者：

Builder Design Pattern
应用场景：能够解决构造方法的参数很多传错参数的问题；可以保证类属性字段安全，不用提供 public setter 方法；可以进行属性字段间的校验、计算、填充等
缺点：创建对象前必须创建 Builder 对象，多一些性能开销，对性能要求极高的的场景下慎用；代码有点啰嗦

4、原型模式：

Prototype Design Pattern
作用：对象的创建成本比较大，同一个类的不同对象之间的大部分字段相同，可以对已有对象进行拷贝的方式创建新对象，达到节省新对象的创建时间的目的
方式：浅拷贝（仅复制基本类型、引用类型的属性变量、引用类型变量的指针；并不复制引用类型变量指向的堆内存中的对象，而是指向同一个对象）、深拷贝（复制基本类型、应用类型的属性变量、引用类型变量的指针、引用类型指向的堆内存中对象，获得一个完全独立的对象）
实现：浅拷贝（实现 Cloneable 接口，重写 clone 方法）、深拷贝（实现 Cloneable 接口，递归 clone 引用对象或 new 新对象；借助序列化完成深拷贝）

结构型

1、代理模式：

Proxy Design Pattern
作用：在不改变原始类（或叫被代理类）代码的情况下，通过引入代理类来给原始类附加功能。使用代理对象完成用户请求，屏蔽用户对真实对象的访问
方式：静态代理、动态代理（JDK 自带、cglib、Javassist 可实现）
应用场景：代理模式常用在业务系统中开发一些非功能性需求，比如：监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志。将这些附加功能与业务功能解耦，放到代理类统一处理，程序员只需要关注业务方面的开发；远程代理、虚拟代理、安全代理...；框架开发，如 Spring AOP 功能（JDK动态代理、cglib）
缺点与注意：静态代理需要一个代理类对应一个被代理类，容易造成类文件增加很多，增加大量的维护工作；JDK 动态代理，需要满足一个条件，就是被代理类需要实现接口，否则会抛出 java.lang.ClassCastException 异常；随着 JVM 的优化，JDK 1.8 开始 JDK 动态代理的性能赶上并超越 cglib；cglib 采用动态创建子类的方法，final 修饰的方法无法进行代理；cglib 创建代理对象时所花费的时间却比 JDK 动态代理要多

2、桥接模式：

Bridge Design Pattern
作用：将抽象和实现解耦，让它们可以独立变化；让一个类拥有两个或多个独立变化的维度，通过组合的方式，让这两个或多个维度可以独立进行扩展
实际应用：JDBC 驱动程序的加载、JVM 在多操作系统间的实现、GUI 在多操作系统间的实现
优点：分离抽象接口与实现、类似多继承但比多继承灵活、可扩展性强、功能对用户透明，隐藏了实现细节
缺点：需要抽象出变化的维度，对业务理解程度要求较高、对系统的设计能力要求较高、代码较难理解

3、装饰器模式：

Decorator Design Pattern
作用：能够动态地给一个对象添加额外的职责，灵活地生成子类；主要解决了原始类在多个方向上功能扩展的问题；原始类可以嵌套使用多个装饰器类，装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或实现相同的接口；装饰器类具有 is-a 和 has-a 的双重关系
角色：被修饰对象的基类、具体被装饰的类、装饰者的抽象类、具体的装饰类
优点：可以动态扩展一个实现类的功能，装饰类和被装饰类可以独立扩展，不会相互耦合
缺点：层次关系比较复杂

4、适配器模式：

Adapter Design Pattern
作用：适配，将不兼容的接口转换为可兼容的接口，让原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作
应用场景：对有缺陷的接口设计进行再次封装、统一多个类的接口设计、替换依赖的系统、兼容老版本接口、适配不同格式的数据
实际例子：JDK Iterator 适配 Enumeration；slf4j 对不同的日志框架进行了适配
优点：适配器模式是一种补充模式，可以用来系统的后期扩展与修改
缺点：不适合过多使用，否则代码中的方法调用比较乱

5、门面模式：

Facade Design Pattern
门面模式为子系统提供一组统一的接口，定义一组高层接口让子系统更易用
作用：封装系统的底层实现，隐藏系统的复杂性，提供一组更加简单易用、更高层的接口；客户端原本对多个子系统接口的调用，改为调用门面的一个接口，较少交互，提升性能；解决事务问题

6、组合模式：

Composite Design Pattern
作用：将一组对象组织成树状结构，以表示部分和整体的层次结构，让客户端可以统一单个对象和组合对象的逻辑；更像是一种树形结构数据场景下的数据结构与算法的抽象
使用场景：主要用来处理树形结构的数据。如部门、人员组成树状结构，计算薪资
优点：灵活增加节点、调用简单、代码简洁
缺点：适用场景非常单一

7、享元模式：

Flyweight Design Pattern
作用：复用对象，节省内存。（前提是享元对象是不可变对象）
应用场景：当一个系统中存在大量重复对象的时候，可以利用享元模式，将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用，减少内存中对象的数量，节省内存。如JDK 中 Integer 类就使用了享元模式缓存了 -128 ～ 127 范围的整数
实现：主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个 Map 或者 List 来缓存已经创建好的享元对象，以达到复用的目的

行为型

1、观察者模式：

Observer Design Pattern
定义：在对象之间定义一个一对多的依赖，当一个对象状态改变的时候，所有依赖的对象都会自动收到通知
优点：降低了目标与观察者之间的耦合关系、目标与观察者之间建立了一套触发机制
缺点：当观察者对象很多时，通知的发布会花费很长时间
应用场景：对象间存在一对多关系，一个对象的状态发生改变会影响其他对象
实际应用：邮件订阅、RSS Feeds、MQ 消息发布与订阅

2、模板模式：

Template Method Design Pattern
定义：模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架，并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤
实际应用：Java InputStream、Java AbstractList、Java Servlet、JUnit TestCase
作用：代码复用（子类可以复用父类中提供的模板方法的代码）和扩展（提供功能扩展点，可以在不修改框架源码的情况下，基于扩展点定制化框架的功能）
缺点：某种实现都需要子类，类的数量增多；代码可读性变差

3、策略模式：

Strategy Design Pattern
定义：定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以相互替换，且算法的变化不会影响使用算法的客户
理解：包含策略的定义、实现类的创建、静态或者动态使用不同策略
应用场景：替代根据类型进行多层 if -else 判断
优点：避免使用多重条件语句；避免重复代码；提供相同行为的不同实现；符合开闭原则，灵活增加新算法
缺点：策略实现类会比较多

4、职责链模式：

Chain of Responsibility Design Pattern
作用：将请求的发送和接收解耦，让多个接收对象都有机会处理这个请求。将这些接收对象串成一条链，并沿着这条链传递这个请求，直到链上的某个接收对象能够处理它为止
优点：将请求的发送者和接收者解耦；增强了系统的可扩展性，根据需要增加新的请求处理类，满足开闭原则；责任分担，每个类只需要处理自己该处理的工作，明确责任范围，符合单一职责原则
缺点：不能保证每个请求一定被处理
使用场景：可动态指定一组对象处理请求
实际应用：Servlet Filter、Spring Interceptor、Dubbo Filter、 Netty ChannelPipeline

5、状态模式：

State Design Pattern
定义：对有状态的对象，把复杂的“判断逻辑”提取到不同的状态对象中，允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为
应用场景：当一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时根据状态改变它的行为；一个操作中含有庞大的分支结构，并且这些分支决定于对象的状态
实际应用：状态机、游戏中不同人物角色的切换
优点：封装状态变化、减少对象间的相互依赖、利于程序的扩展
缺点：结构与实现都较为复杂

6、迭代器模式：

Iterator Design Pattern
定义：提供一个对象来顺序访问聚合对象中的一系列数据，而不暴露聚合对象的内部表示
实际应用：JDK 中 Iterator 接口
优点：封装集合内部的复杂数据结构，；将集合对象的遍历操作从集合类中拆分出来，职责单一；添加新的遍历算法更加容易，更符合开闭原则

7、访问者模式：

Visitor Design Pattern
定义：允许一个或者多个操作应用到一组对象上，解耦操作和对象本身
作用：在被访问的类里面加一个对外提供接待访问者的接口，解决稳定的数据结构和易变的操作耦合问题
应用场景：对象结构相对稳定，但其操作算法经常变化；对象提供多种不同且不相关的操作，避免对结构的影响；
优点：不修改对象结构，为对象结构中的元素添加新的功能，扩展性好；通过访问者来定义整个对象结构通用的功能，提高复用性；将数据结构与作用于结构上的操作解耦，灵活性好；访问者模式把相关的行为封装在一起，符合单一职责原则
缺点：增加新的元素类很困难，违反开闭原则；具体元素对访问者公布细节，这破坏了对象的封装性；依赖了具体类，违反了依赖倒置原则；难理解、难实现

8、备忘录模式：

Memento Design Pattern
定义：在不违背封装原则的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态，以便之后恢复对象为先前的状态
作用：提供了恢复状态的机制；实现了内部状态的封装，满足单一职责原则
实际场景：游戏存档、编辑器和 IDE 的 ctrl+Z 回滚、数据库回滚
缺点：内容过多或者过频繁备份，资源消耗大；适用场景单一

9、命令模式：

Command Design Pattern
定义：将请求（命令）封装为一个对象，这样可以使用不同的请求参数化其他对象（将不同请求依赖注入到其他对象），并且能够支持请求（命令）的排队执行、记录日志、撤销等（附加控制）功能
作用：将调用操作的对象与实现该操作的对象解耦；增加或删除命令非常方便，不影响其他类，符合开闭原则
实际应用：游戏开发中将把请求包含的数据和处理逻辑封装为命令对象执行；与备忘录模式组合，实现 redo、undo 功能
缺点：产生大量具体命令类

10、解释器模式：