2、 设计模式之创建型模式

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。

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2.1 单例模式

2.1.1 什么是单例模式？（概念的引入）

案例：我是皇帝，独此一家。

中国自从秦始皇确立了皇帝这个职位之后，同一个时期基本上上就只有一个人孤零零的坐在皇位上啦。这种情况的 好处就是大家好办事，大家讨论或者汇报大事的时候只要提及皇帝，每个人都知道指的是谁，不需要在皇帝面前加 上特定的称呼。这种过程反应到软件设计领域就是：一个类只能产生一个对象（皇帝），大家对他的依赖都是相同 的。我们把皇帝这种特殊的职位通过程序来实现。

皇帝类：

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大臣类：

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运行结果：

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大臣每天上朝汇报国事的对象都是同一个皇帝，这就是单例模式！

2.1.2 单例模式的定义以及特点

定义：

确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。
Ensure a class has only one instance,and provide a global point of access to it.

特点：

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

2.1.3 单例模式的分类

上面的单例模式，在低并发的情况下可能不会出现问题，如果并发量增大，内存中就会出现多个实例，就不是真正 意义上的单例。为什么会出现这种情况呢？

解决线程不安全的方式有多种。我们先将上面代码的单例模式修改为线程安全的：

懒汉式单例：

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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。

关键字 volatile 和 synchronized，能保证线程安全，但是每次访问时都要同步，会影响性能，且消耗更多的资 源，这是懒汉式单例的缺点。

饿汉式单例：

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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。而且该方式是线 程安全的。

2.1.4 单例模式的使用场景

• 某类只要求生成一个对象的时候，如一个航班的机长、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。
• 在计算机系统中， 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。

2.1.5 单例模式的优缺点

优点：

• 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例。
• 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
• 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问。

缺点：

• 单例模式一般没有接口，扩展很困难。如果要扩展，只能修改代码。
• 与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

2.1.6 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 ArrayList 中，客户需要时 可随机获取。

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大臣类：

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运行结果：PS：每个人的运行结果都不一样，因为随机数的产生不一致

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2.2 工厂方法模式

2.2.1 什么是工厂模式？

引入案例：话说前一阵疫情期间，居家的时间有点长，于是我也跟广大网友一样，开始好好修炼自己的厨艺，有人 做凉皮，有人做锅巴。我也加入了霍霍面粉的大军--做面包。

于是和面、发面、捏成我想要的布朗熊的样子，开心放入烤箱 ，等待我的布朗熊面包出炉。然而，步骤没错，烤箱 没错，可能是大厨不对：

第一次：时间稍短了点，没太烤熟，于是布朗熊面包变成了北极熊面包；

再来一次：时间长点肯定能熟了，烤箱中多靠一会，出炉发现烤焦啦，与布朗熊面包变成了黑熊面包；

第三次：吸取教训，别跟时间死磕了，一直盯着烤箱中的面包好了，等到面包微微发焦，终于成功的做出了我想要 的布朗熊面包

好在家人给面子，每一种面包都有人吃掉哈。

在这个过程中，我的职业病就犯了，是不是可以通过软件开发来实现这个过程呢？

在面向对象的思想中，万物皆对象。是对象我们就可以通过软件设计来实现。来分析一下烤面包的过程，该过程涉 及三个对象：大厨（也就是我哈）、烤箱、三种不同成果的面包（我称他们为北极熊、黑熊、布朗熊）。

大厨可以使用场景类Client来表示，烤箱类似一个工厂，负责生产产品（即面包），三种不同成果的面包都是一个 接口下不同实现类，因为好不好吃好不好看也都是面包啊。

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2.2.2 工厂方法模式的定义

定义：

定义一个用户创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。工厂方法使一个类的实例化延迟到其子类。

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。

我们可以将工厂方法模式抽取出一个实用的通用代码：

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2.2.3 工厂方法模式的应用场景

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。

2.3 抽象工厂模式

2.3.1 引入案例：

上回书说到我的烤面包副业已经小有成就，做的多了发现我的面包似乎缺少了灵魂，面包怎么能没有馅儿呢？！于 是打算将自己最爱的水果菠萝和芒果放入面包中。

大厨烤面包之前也是做了很多的准备工作的，所以想在不浪费现有资源的情况下继续完成新产品的制作。之前做的 面包中虽然大厨自己觉得布朗熊面包才是最成功的的，但是每个人的口味不一样，有人偏爱烤的过火的，有的偏爱 稍欠火候的。所以我决定继续满足所有人的口味：即将做出三种火候的菠萝面包和芒果面包。

即将要做的产品分析完了，可是我的工厂（面包机）真真只有一个烤面包的功能，于是为了做出蛋糕，又专门买了 一个烘焙蛋糕的烤箱。于是乎，可以准备干活啦！

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所有产品都出炉啦！

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工厂方法模式只考虑生产同等级的产品，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。

2.3.2 模式的定义与特点

抽象工厂（AbstractFactory）模式的定义：为创建一组相关或者相互依赖的对象提供一个接口，而且无须指定他们 的具体类。

抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本，在有多个业务品种、业务分类时，通过抽象工厂模式产生需要的对象是 一种非常好的解决方案。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。

2.3.3 抽象工厂的通用代码

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2.3.4 抽象工厂模式的优缺点：

优点：

• 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。

其缺点是：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。

2.3.5 抽象工厂模式的应用场景

1. 适合于产品之间相互关联、相互依赖且相互约束的地方
2. 需要动态切换产品族的地方

2.4 建造者（Builder）模式

2.4.1 案例引入

老板：又签订了一个新合同，XX公司将宝马和奔驰两款车辆模型都交给我们公司制作了。不过这次有了新的需求： 汽车的启动、停止、鸣笛、引擎声音都由客户自己控制，他们想要什么顺序就什么顺序，OK吗？

我：OK!

来分析一下需求：宝马和奔驰两款车辆模型都是产品，他们有共有的属性，XX公司关心的是每个模型的运行过程， 期待奔驰A模型先有引擎声音再鸣笛，奔驰B模型是先启动再有引擎声音。老板的意思就是满足客户所有要求，要 什么顺序立刻就生成什么顺序的模型出来，而且能批量生成出来。

使用程序模拟实现这一需求：

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看到运行结果，满足了一个需求，如果还有更多的不同顺序的需求怎么办呢？不停的写场景类来满足吗？很显然这 是一个问题，所以我们就要想一种方案来解决这个问题。

我们为每种产品模型定义一个建造者，要创建什么顺序直接通知建造者，由建造者来建造。使用程序模拟一下：

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同样运行顺序的宝马车也出来了，而且代码比第一版直接访问产品类简单清晰。

我们在做项目的时候要知道：需求不可能一成不变的。我们案例中的4个过程（start stop alarm engineboom）按 照组合有很多种。客户可以随意组合，它是上帝，想要什么顺序我就要生成什么顺序的车模。怎么办呢？我们就需 要封装一下，找个导演来指挥各个事件的先后顺序，然后为每种顺序指定一个代码，你要什么我们立刻就可以提 供。

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有了这样的导演类之后，我们的场景类就更容易处理了。而且代码变得简单清晰。

其实我们上面用的就是建造者模式！

其实生活中还有更多的这样的案例。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。

再例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。

2.4.2 模式的定义与结构

2.4.2.1 建造者模式的定义：

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。

2.4.2.2 模式的结构与实现

1. 模式的结构

建造者模式的主要角色如下。

1. 产品（Product）类：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. 导演（Director）类：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。

2. 模式的实现

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2.4.3 建造者模式的优缺点

优点：

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：

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。

2.4.4 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。

• 相同的方法，不同的执行顺序，产生不同的实践结果
• 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。

2.5 原型模式