设计模式03-结构型模式

2021-06-26  本文已影响0人  mtry

写在前面

本系列共四篇笔记分别如下：

结构型模式

结构型模式描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构。它分为类结构型模式和对象结构型模式，前者采用继承机制来组织接口和类，后者釆用组合或聚合来组合对象。

由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象结构型模式比类结构型模式具有更大的灵活性。

结构型模式分为以下 7 种：

  1. 代理（Proxy）模式：为某对象提供一种代理以控制对该对象的访问。即客户端通过代理间接地访问该对象，从而限制、增强或修改该对象的一些特性。
  2. 适配器（Adapter）模式：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类能一起工作。
  3. 桥接（Bridge）模式：将抽象与实现分离，使它们可以独立变化。它是用组合关系代替继承关系来实现的，从而降低了抽象和实现这两个可变维度的耦合度。
  4. 装饰（Decorator）模式：动态地给对象增加一些职责，即增加其额外的功能。
  5. 外观（Facade）模式：为多个复杂的子系统提供一个一致的接口，使这些子系统更加容易被访问。
  6. 享元（Flyweight）模式：运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。
  7. 组合（Composite）模式：将对象组合成树状层次结构，使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性。

代理（Proxy）模式

定义： 由于某些原因需要给某对象提供一个代理以控制对该对象的访问。这时，访问对象不适合或者不能直接引用目标对象，代理对象作为访问对象和目标对象之间的中介。

优点：

  1. 代理模式在客户端与目标对象之间起到一个中介作用和保护目标对象的作用。
  2. 代理对象可以扩展目标对象的功能。
  3. 代理模式能将客户端与目标对象分离，在一定程度上降低了系统的耦合度，增加了程序的可扩展性。

缺点：

  1. 代理模式会造成系统设计中类的数量增加。
  2. 在客户端和目标对象之间增加一个代理对象，会造成请求处理速度变慢。
  3. 增加了系统的复杂度。

适用场景：

当无法或不想直接引用某个对象或访问某个对象存在困难时，可以通过代理对象来间接访问。使用代理模式主要有两个目的：一是保护目标对象，二是增强目标对象。

实现：

代理模式的结构比较简单，主要是通过定义一个继承抽象主题的代理来包含真实主题，从而实现对真实主题的访问。

img07.gif 
package proxy;
public class ProxyTest {
    public static void main(String[] args) {
        Proxy proxy = new Proxy();
        proxy.Request();
    }
}
//抽象主题
interface Subject {
    void Request();
}
//真实主题
class RealSubject implements Subject {
    public void Request() {
        System.out.println("访问真实主题方法...");
    }
}
//代理
class Proxy implements Subject {
    private RealSubject realSubject;
    public void Request() {
        if (realSubject == null) {
            realSubject = new RealSubject();
        }
        preRequest();
        realSubject.Request();
        postRequest();
    }
    public void preRequest() {
        System.out.println("访问真实主题之前的预处理。");
    }
    public void postRequest() {
        System.out.println("访问真实主题之后的后续处理。");
    }
}

适配器（Adapter）模式

定义： 将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类能一起工作。适配器模式分为类结构型模式和对象结构型模式两种，前者类之间的耦合度比后者高，且要求程序员了解现有组件库中的相关组件的内部结构，所以应用相对较少些。

优点：

  1. 客户端通过适配器可以透明地调用目标接口。
  2. 复用了现存的类，程序员不需要修改原有代码而重用现有的适配者类。
  3. 将目标类和适配者类解耦，解决了目标类和适配者类接口不一致的问题。
  4. 在很多业务场景中符合开闭原则。

缺点：

  1. 适配器编写过程需要结合业务场景全面考虑，可能会增加系统的复杂性。
  2. 增加代码阅读难度，降低代码可读性，过多使用适配器会使系统代码变得凌乱。

适用场景：

实现：

  1. 类适配器模式：可采用多重继承方式实现，如 C++ 可定义一个适配器类来同时继承当前系统的业务接口和现有组件库中已经存在的组件接口；Java 不支持多继承，但可以定义一个适配器类来实现当前系统的业务接口，同时又继承现有组件库中已经存在的组件。
  2. 对象适配器模式：可釆用将现有组件库中已经实现的组件引入适配器类中，该类同时实现当前系统的业务接口。现在来介绍它们的基本结构。

类适配器模式

img08.gif 
package adapter;
//目标接口
interface Target
{
    public void request();
}
//适配者接口
class Adaptee
{
    public void specificRequest()
    {       
        System.out.println("适配者中的业务代码被调用！");
    }
}
//类适配器类
class ClassAdapter extends Adaptee implements Target
{
    public void request()
    {
        specificRequest();
    }
}
//客户端代码
public class ClassAdapterTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println("类适配器模式测试：");
        Target target = new ClassAdapter();
        target.request();
    }
}

对象适配器模式

img09.gif 
package adapter;
//对象适配器类
class ObjectAdapter implements Target
{
    private Adaptee adaptee;
    public ObjectAdapter(Adaptee adaptee)
    {
        this.adaptee=adaptee;
    }
    public void request()
    {
        adaptee.specificRequest();
    }
}
//客户端代码
public class ObjectAdapterTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println("对象适配器模式测试：");
        Adaptee adaptee = new Adaptee();
        Target target = new ObjectAdapter(adaptee);
        target.request();
    }
}

桥接（Bridge）模式

定义： 将抽象与实现分离，使它们可以独立变化。它是用组合关系代替继承关系来实现，从而降低了抽象和实现这两个可变维度的耦合度。

其实就是通过组合替换继承来实现。

优点：

  1. 抽象与实现分离，扩展能力强。
  2. 符合开闭原则。
  3. 符合合成复用原则。
  4. 其实现细节对客户透明。

缺点：

  1. 由于聚合关系建立在抽象层，要求开发者针对抽象化进行设计与编程，能正确地识别出系统中两个独立变化的维度，这增加了系统的理解与设计难度。

适用场景：

当一个类内部具备两种或多种变化维度时，使用桥接模式可以解耦这些变化的维度，使高层代码架构稳定。

桥接模式通常适用于以下场景。

桥接模式的一个常见使用场景就是替换继承。我们知道，继承拥有很多优点，比如，抽象、封装、多态等，父类封装共性，子类实现特性。继承可以很好的实现代码复用（封装）的功能，但这也是继承的一大缺点。

因为父类拥有的方法，子类也会继承得到，无论子类需不需要，这说明继承具备强侵入性（父类代码侵入子类），同时会导致子类臃肿。因此，在设计模式中，有一个原则为优先使用组合/聚合，而不是继承。

实现：

将抽象化部分与实现化部分分开，取消二者的继承关系，改用组合关系。

img10.gif 
package bridge;
public class BridgeTest {
    public static void main(String[] args) {
        Implementor imple = new ConcreteImplementorA();
        Abstraction abs = new RefinedAbstraction(imple);
        abs.Operation();
    }
}
//实现化角色
interface Implementor {
    public void OperationImpl();
}
//具体实现化角色
class ConcreteImplementorA implements Implementor {
    public void OperationImpl() {
        System.out.println("具体实现化(Concrete Implementor)角色被访问");
    }
}
//抽象化角色
abstract class Abstraction {
    protected Implementor imple;
    protected Abstraction(Implementor imple) {
        this.imple = imple;
    }
    public abstract void Operation();
}
//扩展抽象化角色
class RefinedAbstraction extends Abstraction {
    protected RefinedAbstraction(Implementor imple) {
        super(imple);
    }
    public void Operation() {
        System.out.println("扩展抽象化(Refined Abstraction)角色被访问");
        imple.OperationImpl();
    }
}

装饰（Decorator）模式

定义： 指在不改变现有对象结构的情况下，动态地给该对象增加一些职责（即增加其额外功能）的模式。

优点：

  1. 装饰器是继承的有力补充，比继承灵活，在不改变原有对象的情况下，动态的给一个对象扩展功能，即插即用
  2. 通过使用不用装饰类及这些装饰类的排列组合，可以实现不同效果
  3. 装饰器模式完全遵守开闭原则

缺点：

  1. 装饰器模式会增加许多子类，过度使用会增加程序得复杂性。

适用场景：

实现：

通常情况下，扩展一个类的功能会使用继承方式来实现。但继承具有静态特征，耦合度高，并且随着扩展功能的增多，子类会很膨胀。如果使用组合关系来创建一个包装对象（即装饰对象）来包裹真实对象，并在保持真实对象的类结构不变的前提下，为其提供额外的功能，这就是装饰器模式的目标。

img11.gif 
package decorator;
public class DecoratorPattern {
    public static void main(String[] args) {
        Component p = new ConcreteComponent();
        p.operation();
        System.out.println("---------------------------------");
        Component d = new ConcreteDecorator(p);
        d.operation();
    }
}
//抽象构件角色
interface Component {
    public void operation();
}
//具体构件角色
class ConcreteComponent implements Component {
    public ConcreteComponent() {
        System.out.println("创建具体构件角色");
    }
    public void operation() {
        System.out.println("调用具体构件角色的方法operation()");
    }
}
//抽象装饰角色
class Decorator implements Component {
    private Component component;
    public Decorator(Component component) {
        this.component = component;
    }
    public void operation() {
        component.operation();
    }
}
//具体装饰角色
class ConcreteDecorator extends Decorator {
    public ConcreteDecorator(Component component) {
        super(component);
    }
    public void operation() {
        super.operation();
        addedFunction();
    }
    public void addedFunction() {
        System.out.println("为具体构件角色增加额外的功能addedFunction()");
    }
}

外观（Facade）模式

定义： 又叫作门面模式，是一种通过为多个复杂的子系统提供一个一致的接口，而使这些子系统更加容易被访问的模式。该模式对外有一个统一接口，外部应用程序不用关心内部子系统的具体细节，这样会大大降低应用程序的复杂度，提高了程序的可维护性。

优点：

外观（Facade）模式是“迪米特法则”的典型应用，它有以下主要优点。

  1. 降低了子系统与客户端之间的耦合度，使得子系统的变化不会影响调用它的客户类。
  2. 对客户屏蔽了子系统组件，减少了客户处理的对象数目，并使得子系统使用起来更加容易。
  3. 降低了大型软件系统中的编译依赖性，简化了系统在不同平台之间的移植过程，因为编译一个子系统不会影响其他的子系统，也不会影响外观对象。

缺点：

  1. 不能很好地限制客户使用子系统类，很容易带来未知风险。
  2. 增加新的子系统可能需要修改外观类或客户端的源代码，违背了“开闭原则”。

适用场景：

实现：

外观（Facade）模式的结构比较简单，主要是定义了一个高层接口。它包含了对各个子系统的引用，客户端可以通过它访问各个子系统的功能。现在来分析其基本结构和实现方法。

img12.gif 
package facade;
public class FacadePattern {
    public static void main(String[] args) {
        Facade f = new Facade();
        f.method();
    }
}
//外观角色
class Facade {
    private SubSystem01 obj1 = new SubSystem01();
    private SubSystem02 obj2 = new SubSystem02();
    private SubSystem03 obj3 = new SubSystem03();
    public void method() {
        obj1.method1();
        obj2.method2();
        obj3.method3();
    }
}
//子系统角色
class SubSystem01 {
    public void method1() {
        System.out.println("子系统01的method1()被调用！");
    }
}
//子系统角色
class SubSystem02 {
    public void method2() {
        System.out.println("子系统02的method2()被调用！");
    }
}
//子系统角色
class SubSystem03 {
    public void method3() {
        System.out.println("子系统03的method3()被调用！");
    }
}

享元（Flyweight）模式

定义： 运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。它通过共享已经存在的对象来大幅度减少需要创建的对象数量、避免大量相似类的开销，从而提高系统资源的利用率。

优点：

  1. 相同对象只要保存一份，这降低了系统中对象的数量，从而降低了系统中细粒度对象给内存带来的压力。

缺点：

  1. 为了使对象可以共享，需要将一些不能共享的状态外部化，这将增加程序的复杂性。
  2. 读取享元模式的外部状态会使得运行时间稍微变长。

适用场景：

当系统中多处需要同一组信息时，可以把这些信息封装到一个对象中，然后对该对象进行缓存，这样，一个对象就可以提供给多出需要使用的地方，避免大量同一对象的多次创建，降低大量内存空间的消耗。

前面分析了享元模式的结构与特点，下面分析它适用的应用场景。享元模式是通过减少内存中对象的数量来节省内存空间的，所以以下几种情形适合采用享元模式。

实现：

享元模式的定义提出了两个要求，细粒度和共享对象。因为要求细粒度，所以不可避免地会使对象数量多且性质相近，此时我们就将这些对象的信息分为两个部分：内部状态和外部状态。

内部状态：指对象共享出来的信息，存储在享元信息内部，并且不回随环境的改变而改变；

外部状态：指对象得以依赖的一个标记，随环境的改变而改变，不可共享。

享元模式的本质是缓存共享对象，降低内存消耗。

img13.gif 
public class FlyweightPattern {
    public static void main(String[] args) {
        FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
        Flyweight f01 = factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f02 = factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f03 = factory.getFlyweight("a");
        Flyweight f11 = factory.getFlyweight("b");
        Flyweight f12 = factory.getFlyweight("b");
        f01.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次调用a。"));
        f02.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次调用a。"));
        f03.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第3次调用a。"));
        f11.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第1次调用b。"));
        f12.operation(new UnsharedConcreteFlyweight("第2次调用b。"));
    }
}
//非享元角色
class UnsharedConcreteFlyweight {
    private String info;
    UnsharedConcreteFlyweight(String info) {
        this.info = info;
    }
    public String getInfo() {
        return info;
    }
    public void setInfo(String info) {
        this.info = info;
    }
}
//抽象享元角色
interface Flyweight {
    public void operation(UnsharedConcreteFlyweight state);
}
//具体享元角色
class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
    private String key;
    ConcreteFlyweight(String key) {
        this.key = key;
        System.out.println("具体享元" + key + "被创建！");
    }
    public void operation(UnsharedConcreteFlyweight outState) {
        System.out.print("具体享元" + key + "被调用，");
        System.out.println("非享元信息是:" + outState.getInfo());
    }
}
//享元工厂角色
class FlyweightFactory {
    private HashMap<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<String, Flyweight>();
    public Flyweight getFlyweight(String key) {
        Flyweight flyweight = (Flyweight) flyweights.get(key);
        if (flyweight != null) {
            System.out.println("具体享元" + key + "已经存在，被成功获取！");
        } else {
            flyweight = new ConcreteFlyweight(key);
            flyweights.put(key, flyweight);
        }
        return flyweight;
    }
}

组合（Composite）模式

定义： 有时又叫作整体-部分（Part-Whole）模式，它是一种将对象组合成树状的层次结构的模式，用来表示“整体-部分”的关系，使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性。

其实就是构建树形数据结构来访问对象，比如文件目录结构的访问和操作。

优点：

  1. 组合模式使得客户端代码可以一致地处理单个对象和组合对象，无须关心自己处理的是单个对象，还是组合对象，这简化了客户端代码。
  2. 更容易在组合体内加入新的对象，客户端不会因为加入了新的对象而更改源代码，满足“开闭原则”。

缺点：

  1. 设计较复杂，客户端需要花更多时间理清类之间的层次关系。
  2. 不容易限制容器中的构件。
  3. 不容易用继承的方法来增加构件的新功能。

适用场景：

实现：

组合模式分为透明式的组合模式和安全式的组合模式。

透明方式

在该方式中，由于抽象构件声明了所有子类中的全部方法，所以客户端无须区别树叶对象和树枝对象，对客户端来说是透明的。但其缺点是：树叶构件本来没有 Add()、Remove() 及 GetChild() 方法，却要实现它们（空实现或抛异常），这样会带来一些安全性问题。

img14.gif 
public class CompositePattern {
    public static void main(String[] args) {
        Component c0 = new Composite();
        Component c1 = new Composite();
        Component leaf1 = new Leaf("1");
        Component leaf2 = new Leaf("2");
        Component leaf3 = new Leaf("3");
        c0.add(leaf1);
        c0.add(c1);
        c1.add(leaf2);
        c1.add(leaf3);
        c0.operation();
    }
}
//抽象构件
interface Component {
    public void add(Component c);
    public void remove(Component c);
    public Component getChild(int i);
    public void operation();
}
//树叶构件
class Leaf implements Component {
    private String name;
    public Leaf(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void add(Component c) {
    }
    public void remove(Component c) {
    }
    public Component getChild(int i) {
        return null;
    }
    public void operation() {
        System.out.println("树叶" + name + "：被访问！");
    }
}
//树枝构件
class Composite implements Component {
    private ArrayList<Component> children = new ArrayList<Component>();
    public void add(Component c) {
        children.add(c);
    }
    public void remove(Component c) {
        children.remove(c);
    }
    public Component getChild(int i) {
        return children.get(i);
    }
    public void operation() {
        for (Object obj : children) {
            ((Component) obj).operation();
        }
    }
}

安全方式

在该方式中，将管理子构件的方法移到树枝构件中，抽象构件和树叶构件没有对子对象的管理方法，这样就避免了上一种方式的安全性问题，但由于叶子和分支有不同的接口，客户端在调用时要知道树叶对象和树枝对象的存在，所以失去了透明性。

img15.gif 
// 只保留层次的公共行为
interface Component {
    public void operation();
}

public class CompositePattern {
    public static void main(String[] args) {
        Composite c0 = new Composite();
        Composite c1 = new Composite();
        Component leaf1 = new Leaf("1");
        Component leaf2 = new Leaf("2");
        Component leaf3 = new Leaf("3");
        c0.add(leaf1);
        c0.add(c1);
        c1.add(leaf2);
        c1.add(leaf3);
        c0.operation();
    }
}

总结

设计模式 简述 目的
代理模式 为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问 增强职责
适配器模式 将原来不兼容的两个类融合在一起 兼容转换
桥接模式 将两个能够独立变化的部分分离开来 降低了抽象和实现这两个可变维度的耦合度
外观模式 对外提供一个统一的接口用来访问子系统 统一访问入口
装饰器模式 为对象添加新功能 灵活扩展、同宗同源
享元模式 使用对象池来减少重复对象的创建 共享资源池
组合模式 构建树形结构，让客户端能够以一种的方式对其进行处理 统一整体和个体

参考资料

上一篇 下一篇

猜你喜欢

热点阅读