创建型模式的主要关注点是“怎样创建对象?”,它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。这样可以降低系统的耦合度,使用者不需要关注对象的创建细节,对象的创建由相关的工厂来完成。就像我们去商场购买商品时,不需要知道商品是怎么生产出来一样,因为它们由专门的厂商生产。

创建型模式分为以下几种。

  • 单例(Singleton)模式:某个类只能生成一个实例,该类提供了一个全局访问点供外部获取该实例,其拓展是有限多例模式。
  • 原型(Prototype)模式:将一个对象作为原型,通过对其进行复制而克隆出多个和原型类似的新实例。
  • 工厂方法(FactoryMethod)模式:定义一个用于创建产品的接口,由子类决定生产什么产品。
  • 抽象工厂(AbstractFactory)模式:提供一个创建产品族的接口,其每个子类可以生产一系列相关的产品。
  • 建造者(Builder)模式:将一个复杂对象分解成多个相对简单的部分,然后根据不同需要分别创建它们,最后构建成该复杂对象。

单列模式

在有些系统中,为了节省内存资源、保证数据内容的一致性,对某些类要求只能创建一个实例,这就是所谓的单例模式。

单例模式的定义与特点

单例(Singleton)模式的定义:指一个类只有一个实例,且该类能自行创建这个实例的一种模式。例如,Windows 中只能打开一个任务管理器,这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费,或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。

在计算机系统中,还有 Windows 的回收站、操作系统中的文件系统、多线程中的线程池、显卡的驱动程序对象、打印机的后台处理服务、应用程序的日志对象、数据库的连接池、网站的计数器、Web 应用的配置对象、应用程序中的对话框、系统中的缓存等常常被设计成单例。

单例模式有 3 个特点:

  1. 单例类只有一个实例对象;
  2. 该单例对象必须由单例类自行创建;
  3. 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点;

单例模式的结构与实现

单例模式是设计模式中最简单的模式之一。通常,普通类的构造函数是公有的,外部类可以通过“new 构造函数()”来生成多个实例。但是,如果将类的构造函数设为私有的,外部类就无法调用该构造函数,也就无法生成多个实例。这时该类自身必须定义一个静态私有实例,并向外提供一个静态的公有函数用于创建或获取该静态私有实例。

下面来分析其基本结构和实现方法。

1. 单例模式的结构
单例模式的主要角色如下。

  • 单例类:包含一个实例且能自行创建这个实例的类。
  • 访问类:使用单例的类。

其结构如图1所示。


图1单例模式的结构图

2. 单例模式的实现
Singleton 模式通常有两种实现形式。
第 1 种:懒汉式单例
该模式的特点是类加载时没有生成单例,只有当第一次调用 getlnstance 方法时才去创建这个单例。

第 2 种:饿汉式单例
该模式的特点是类一旦加载就创建一个单例,保证在调用 getInstance 方法之前单例已经存在了。

单例模式的应用场景

前面分析了单例模式的结构与特点,以下是它通常适用的场景的特点。

  • 在应用场景中,某类只要求生成一个对象的时候,如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
  • 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象,共享该对象可以节省内存,并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。
  • 当某类需要频繁实例化,而创建的对象又频繁被销毁的时候,如多线程的线程池、网络连接池等。

单例模式的扩展

单例模式可扩展为有限的多例(Multitcm)模式,这种模式可生成有限个实例并保存在 ArmyList 中,客户需要时可随机获取,其结构图如图2所示。

图2有限的多例模式的结构图

原型模式

在有些系统中,存在大量相同或相似对象的创建问题,如果用传统的构造函数来创建对象,会比较复杂且耗时耗资源,用原型模式生成对象就很高效,就像孙悟空拔下猴毛轻轻一吹就变出很多孙悟空一样简单。

原型模式的定义与特点

原型(Prototype)模式的定义如下:用一个已经创建的实例作为原型,通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。在这里,原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效,根本无须知道对象创建的细节。例如,Windows 操作系统的安装通常较耗时,如果复制就快了很多。

原型模式的结构与实现

由于 Java 提供了对象的 clone() 方法,所以用 Java 实现原型模式很简单。
1. 模式的结构
原型模式包含以下主要角色。

  1. 抽象原型类:规定了具体原型对象必须实现的接口。
  2. 具体原型类:实现抽象原型类的 clone() 方法,它是可被复制的对象。
  3. 访问类:使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

其结构图如图1所示。


图1原型模式的结构图

2. 模式的实现
原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆,Java 中的 Object 类提供了浅克隆的 clone() 方法,具体原型类只要实现 Cloneable 接口就可实现对象的浅克隆,这里的 Cloneable 接口就是抽象原型类。

原型模式的应用场景

原型模式通常适用于以下场景。

  • 对象之间相同或相似,即只是个别的几个属性不同的时候。
  • 对象的创建过程比较麻烦,但复制比较简单的时候。

原型模式的扩展

原型模式可扩展为带原型管理器的原型模式,它在原型模式的基础上增加了一个原型管理器 PrototypeManager 类。该类用 HashMap 保存多个复制的原型,Client 类可以通过管理器的 get(String id) 方法从中获取复制的原型。其结构图如图2所示。

带原型管理器的原型模式的结构图


图2带原型管理器的原型模式的结构图

工厂方法模式

在现实生活中社会分工越来越细,越来越专业化。各种产品有专门的工厂生产,彻底告别了自给自足的小农经济时代,这大大缩短了产品的生产周期,提高了生产效率。同样,在软件开发中能否做到软件对象的生产和使用相分离呢?能否在满足“开闭原则”的前提下,客户随意增删或改变对软件相关对象的使用呢?

模式的定义与特点

工厂方法(FactoryMethod)模式的定义:定义一个创建产品对象的工厂接口,将产品对象的实际创建工作推迟到具体子工厂类当中。这满足创建型模式中所要求的“创建与使用相分离”的特点。

我们把被创建的对象称为“产品”,把创建产品的对象称为“工厂”。如果要创建的产品不多,只要一个工厂类就可以完成,这种模式叫“简单工厂模式”,它不属于 GoF 的 23 种经典设计模式,它的缺点是增加新产品时会违背“开闭原则”。

这里介绍的“工厂方法模式”是对简单工厂模式的进一步抽象化,其好处是可以使系统在不修改原来代码的情况下引进新的产品,即满足开闭原则。

工厂方法模式的主要优点有:

  • 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品,无须知道产品的具体创建过程;
  • 在系统增加新的产品时只需要添加具体产品类和对应的具体工厂类,无须对原工厂进行任何修改,满足开闭原则;

其缺点是:每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类,这增加了系统的复杂度。

模式的结构与实现

工厂方法模式由抽象工厂、具体工厂、抽象产品和具体产品等4个要素构成。这里来分析其基本结构和实现方法。
1. 模式的结构
工厂方法模式的主要角色如下。

  1. 抽象工厂(Abstract Factory):提供了创建产品的接口,调用者通过它访问具体工厂的工厂方法 newProduct() 来创建产品。
  2. 具体工厂(ConcreteFactory):主要是实现抽象工厂中的抽象方法,完成具体产品的创建。
  3. 抽象产品(Product):定义了产品的规范,描述了产品的主要特性和功能。
  4. 具体产品(ConcreteProduct):实现了抽象产品角色所定义的接口,由具体工厂来创建,它同具体工厂之间一一对应。

其结构图如图1所示。


图1工厂方法模式的结构图

模式的应用场景

工厂方法模式通常适用于以下场景。

  • 客户只知道创建产品的工厂名,而不知道具体的产品名。如 TCL 电视工厂、海信电视工厂等。
  • 创建对象的任务由多个具体子工厂中的某一个完成,而抽象工厂只提供创建产品的接口。
  • 客户不关心创建产品的细节,只关心产品的品牌。

模式的扩展

当需要生成的产品不多且不会增加,一个具体工厂类就可以完成任务时,可删除抽象工厂类。这时工厂方法模式将退化到简单工厂模式,其结构图如图2所示。


图2简单工厂模式的结构图

抽象工厂模式

前面介绍的工厂方法模式中考虑的是一类产品的生产,如畜牧场只养动物、电视机厂只生产电视机。

同种类称为同等级,也就是说:工厂方法模式只考虑生产同等级的产品,但是在现实生活中许多工厂是综合型的工厂,能生产多等级(种类) 的产品,如农场里既养动物又种植物,电器厂既生产电视机又生产洗衣机或空调。

下面要介绍的抽象工厂模式将考虑多等级产品的生产,将同一个具体工厂所生产的位于不同等级的一组产品称为一个产品族,图 1 所示的是海尔工厂和 TCL 工厂所生产的电视机与空调对应的关系图。

电器工厂的产品等级与产品族

图1 电器工厂的产品等级与产品族

模式的定义与特点

抽象工厂(AbstractFactory)模式的定义:是一种为访问类提供一个创建一组相关或相互依赖对象的接口,且访问类无须指定所要产品的具体类就能得到同族的不同等级的产品的模式结构。

抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本,工厂方法模式只生产一个等级的产品,而抽象工厂模式可生产多个等级的产品。

使用抽象工厂模式一般要满足以下条件。

  • 系统中有多个产品族,每个具体工厂创建同一族但属于不同等级结构的产品。
  • 系统一次只可能消费其中某一族产品,即同族的产品一起使用。

抽象工厂模式除了具有工厂方法模式的优点外,其他主要优点如下。

  • 可以在类的内部对产品族中相关联的多等级产品共同管理,而不必专门引入多个新的类来进行管理。
  • 当增加一个新的产品族时不需要修改原代码,满足开闭原则。

缺点是:当产品族中需要增加一个新的产品时,所有的工厂类都需要进行修改。

模式的结构与实现

抽象工厂模式同工厂方法模式一样,也是由抽象工厂、具体工厂、抽象产品和具体产品等 4 个要素构成,但抽象工厂中方法个数不同,抽象产品的个数也不同。现在我们来分析其基本结构和实现方法。
1. 模式的结构
抽象工厂模式的主要角色如下。

  1. 抽象工厂(Abstract Factory):提供了创建产品的接口,它包含多个创建产品的方法 newProduct(),可以创建多个不同等级的产品。
  2. 具体工厂(Concrete Factory):主要是实现抽象工厂中的多个抽象方法,完成具体产品的创建。
  3. 抽象产品(Product):定义了产品的规范,描述了产品的主要特性和功能,抽象工厂模式有多个抽象产品。
  4. 具体产品(ConcreteProduct):实现了抽象产品角色所定义的接口,由具体工厂来创建,它 同具体工厂之间是多对一的关系。

抽象工厂模式的结构图如图 2 所示。

图2 抽象工厂模式的结构图

2. 模式的实现
从图 2 可以看出抽象工厂模式的结构同工厂方法模式的结构相似,不同的是其产品的种类不止一个,所以创建产品的方法也不止一个。

模式的应用场景

抽象工厂模式最早的应用是用于创建属于不同操作系统的视窗构件。如 java 的 AWT 中的 Button 和 Text 等构件在 Windows 和 UNIX 中的本地实现是不同的。

抽象工厂模式通常适用于以下场景:

  1. 当需要创建的对象是一系列相互关联或相互依赖的产品族时,如电器工厂中的电视机、洗衣机、空调等。
  2. 系统中有多个产品族,但每次只使用其中的某一族产品。如有人只喜欢穿某一个品牌的衣服和鞋。
  3. 系统中提供了产品的类库,且所有产品的接口相同,客户端不依赖产品实例的创建细节和内部结构。

模式的扩展

抽象工厂模式的扩展有一定的“开闭原则”倾斜性:

  1. 当增加一个新的产品族时只需增加一个新的具体工厂,不需要修改原代码,满足开闭原则。
  2. 当产品族中需要增加一个新种类的产品时,则所有的工厂类都需要进行修改,不满足开闭原则。

另一方面,当系统中只存在一个等级结构的产品时,抽象工厂模式将退化到工厂方法模式。

建造者模式

在软件开发过程中有时需要创建一个复杂的对象,这个复杂对象通常由多个子部件按一定的步骤组合而成。例如,计算机是由 OPU、主板、内存、硬盘、显卡、机箱、显示器、键盘、鼠标等部件组装而成的,采购员不可能自己去组装计算机,而是将计算机的配置要求告诉计算机销售公司,计算机销售公司安排技术人员去组装计算机,然后再交给要买计算机的采购员。

生活中这样的例子很多,如游戏中的不同角色,其性别、个性、能力、脸型、体型、服装、发型等特性都有所差异;还有汽车中的方向盘、发动机、车架、轮胎等部件也多种多样;每封电子邮件的发件人、收件人、主题、内容、附件等内容也各不相同。

以上所有这些产品都是由多个部件构成的,各个部件可以灵活选择,但其创建步骤都大同小异。这类产品的创建无法用前面介绍的工厂模式描述,只有建造者模式可以很好地描述该类产品的创建。

模式的定义与特点

建造者(Builder)模式的定义:指将一个复杂对象的构造与它的表示分离,使同样的构建过程可以创建不同的表示,这样的设计模式被称为建造者模式。它是将一个复杂的对象分解为多个简单的对象,然后一步一步构建而成。它将变与不变相分离,即产品的组成部分是不变的,但每一部分是可以灵活选择的。

该模式的主要优点如下:

  1. 各个具体的建造者相互独立,有利于系统的扩展。
  2. 客户端不必知道产品内部组成的细节,便于控制细节风险。

缺点如下:

  1. 产品的组成部分必须相同,这限制了其使用范围。
  2. 如果产品的内部变化复杂,该模式会增加很多的建造者类。

建造者(Builder)模式和工厂模式的关注点不同:建造者模式注重零部件的组装过程,而工厂方法模式更注重零部件的创建过程,但两者可以结合使用。

模式的结构与实现

建造者(Builder)模式由产品、抽象建造者、具体建造者、指挥者等 4 个要素构成,现在我们来分析其基本结构和实现方法。
1. 模式的结构
建造者(Builder)模式的主要角色如下。

  1. 产品角色(Product):它是包含多个组成部件的复杂对象,由具体建造者来创建其各个滅部件。
  2. 抽象建造者(Builder):它是一个包含创建产品各个子部件的抽象方法的接口,通常还包含一个返回复杂产品的方法 getResult()。
  3. 具体建造者(Concrete Builder):实现 Builder 接口,完成复杂产品的各个部件的具体创建方法。
  4. 指挥者(Director):它调用建造者对象中的部件构造与装配方法完成复杂对象的创建,在指挥者中不涉及具体产品的信息。

其结构图如图 1 所示。

建造者模式的结构图

图1 建造者模式的结构图

模式的应用场景

建造者(Builder)模式创建的是复杂对象,其产品的各个部分经常面临着剧烈的变化,但将它们组合在一起的算法却相对稳定,所以它通常在以下场合使用。

  • 创建的对象较复杂,由多个部件构成,各部件面临着复杂的变化,但构件间的建造顺序是稳定的。
  • 创建复杂对象的算法独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式,即产品的构建过程和最终的表示是独立的。

模式的扩展

建造者(Builder)模式在应用过程中可以根据需要改变,如果创建的产品种类只有一种,只需要一个具体建造者,这时可以省略掉抽象建造者,甚至可以省略掉指挥者角色。