Java中的設計模式實戰：單例、工廠、策略模式的最佳實踐

在Java開發中，設計模式是構建高效、可維護、可擴展應用程序的關鍵。本文將深入探討三種常見且實用的設計模式：單例模式、工廠模式和策略模式，并通過詳細代碼實例，展示它們的最佳實踐。

單例模式：確保全局唯一性

單例模式是最簡單的創建型模式之一，它確保一個類只有一個實例，并提供一個全局訪問點。單例模式有多種實現方式，但每種方式都有其適用場景和注意事項。

懶漢式單例

懶漢式單例在類被加載時不會立即實例化，而是在第一次調用getInstance()方法時才創建實例，這樣可以延遲初始化，節省資源。

public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}public static synchronized Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}

優點： 實現簡單，按需初始化。

缺點： 每次調用getInstance()都需要進行同步，可能導致性能問題。

餓漢式單例

餓漢式單例在類加載時就立即實例化，確保了線程安全，但無法延遲初始化。

public class Singleton {private static final Singleton instance = new Singleton();private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {return instance;}
}

優點： 簡單且線程安全。

缺點： 無法延遲初始化，可能導致資源浪費。

雙重檢查鎖定（DCL）單例

DCL單例結合了懶漢式和餓漢式的優點，既實現了延遲初始化，又保證了線程安全。

public class Singleton {private static volatile Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

優點： 實現了延遲初始化，且線程安全。

缺點： 代碼相對復雜，需要理解volatile的語義。

最佳實踐： 在大多數場景下，推薦使用DCL單例，因為它兼顧了性能和線程安全。

工廠模式：創建對象的抽象

工廠模式是一種創建型模式，它提供一個創建對象的接口，但讓子類決定實例化哪個類。工廠模式分為簡單工廠模式、工廠方法模式和抽象工廠模式。

簡單工廠模式

簡單工廠模式定義一個創建對象的類，由這個類來封裝實例化的過程。

public class SocialMediaFactory {public static SocialMedia getService(String type) {if ("facebook".equals(type)) {return new FacebookService();} else if ("twitter".equals(type)) {return new TwitterService();} else {throw new IllegalArgumentException("Unknown type: " + type);}}
}interface SocialMedia {void connect();
}class FacebookService implements SocialMedia {public void connect() {System.out.println("Connecting to Facebook");}
}class TwitterService implements SocialMedia {public void connect() {System.out.println("Connecting to Twitter");}
}

優點： 將對象的創建邏輯集中在一個類中，便于維護。

缺點： 違反開閉原則，添加新類型需要修改工廠類。

工廠方法模式

工廠方法模式定義一個創建對象的接口，但讓子類決定實例化哪個類。

abstract class SocialMediaFactory {abstract SocialMedia createService();
}class FacebookFactory extends SocialMediaFactory {@OverrideSocialMedia createService() {return new FacebookService();}
}class TwitterFactory extends SocialMediaFactory {@OverrideSocialMedia createService() {return new TwitterService();}
}

優點： 符合開閉原則，添加新類型只需添加新工廠類。

缺點： 需要為每個產品類型創建一個工廠類。

抽象工廠模式

抽象工廠模式提供一個創建一系列相關或依賴對象的接口，而不需要指定它們具體的類。

interface PaymentFactory {Payment createPayment();
}class CreditCardFactory implements PaymentFactory {@Overridepublic Payment createPayment() {return new CreditCardPayment();}
}class PayPalFactory implements PaymentFactory {@Overridepublic Payment createPayment() {return new PayPalPayment();}
}abstract class Payment {abstract void processPayment(double amount);
}class CreditCardPayment extends Payment {@Overridevoid processPayment(double amount) {System.out.println("Processing credit card payment of $" + amount);}
}class PayPalPayment extends Payment {@Overridevoid processPayment(double amount) {System.out.println("Processing PayPal payment of $" + amount);}
}

優點： 可以創建一系列相關對象，而無需指定具體類。

缺點： 系統中類的數量會顯著增加。

最佳實踐： 根據需求選擇合適的工廠模式。如果對象創建邏輯簡單，使用簡單工廠；如果需要擴展性，使用工廠方法；如果需要創建一系列相關對象，使用抽象工廠。

策略模式：算法的靈活切換

策略模式是一種行為型模式，它定義一系列算法，把它們一個個封裝起來，并使它們可以相互替換。策略模式讓算法的變化獨立于使用算法的客戶。

定義支付策略接口

public interface PaymentStrategy {void pay(double amount);
}

實現具體支付策略

public class CreditCardPayment implements PaymentStrategy {private String cardNumber;public CreditCardPayment(String cardNumber) {this.cardNumber = cardNumber;}@Overridepublic void pay(double amount) {System.out.println(amount + " paid with credit card " + cardNumber);}
}public class PayPalPayment implements PaymentStrategy {private String email;public PayPalPayment(String email) {this.email = email;}@Overridepublic void pay(double amount) {System.out.println(amount + " paid using PayPal " + email);}
}

使用策略上下文

public class ShoppingCart {private List<Item> items;private PaymentStrategy paymentStrategy;public ShoppingCart() {items = new ArrayList<>();}public void addItem(Item item) {items.add(item);}public void setPaymentStrategy(PaymentStrategy paymentStrategy) {this.paymentStrategy = paymentStrategy;}public void checkout() {double total = calculateTotal();paymentStrategy.pay(total);items.clear();System.out.println("Order processed successfully!");}private double calculateTotal() {double total = 0;for (Item item : items) {total += item.getPrice() * item.getQuantity();}return total;}
}class Item {private String name;private double price;private int quantity;public Item(String name, double price, int quantity) {this.name = name;this.price = price;this.quantity = quantity;}public String getName() {return name;}public double getPrice() {return price;}public int getQuantity() {return quantity;}
}

客戶端代碼

public class Main {public static void main(String[] args) {ShoppingCart cart = new ShoppingCart();cart.addItem(new Item("Book", 20, 1));cart.addItem(new Item("Laptop", 999, 1));// 使用信用卡支付cart.setPaymentStrategy(new CreditCardPayment("1234-5678-9012-3456"));cart.checkout();// 切換到PayPal支付cart.setPaymentStrategy(new PayPalPayment("user@example.com"));cart.addItem(new Item("Mouse", 19.99, 1));cart.checkout();}
}

優點： 策略模式使算法可以獨立于使用它的客戶端而變化，提供了靈活的算法切換能力。

缺點： 需要為每個具體策略實現一個類，可能導致類數量增加。

最佳實踐： 在需要動態切換算法或策略的場景中，優先考慮使用策略模式。例如支付方式選擇、算法優化等場景。

總結

單例模式、工廠模式和策略模式是Java開發中非常實用的設計模式。單例模式確保全局唯一性，工廠模式抽象對象創建過程，策略模式提供算法的靈活切換能力。在實際項目中，合理運用這些設計模式，可以顯著提高代碼的可維護性和可擴展性。

記住，設計模式不是萬能的，它們應該根據具體需求謹慎選擇和使用。過度使用設計模式可能導致系統復雜度增加，反而降低開發效率。理解每種模式的適用場景，并在實際項目中根據需求靈活運用，是成為優秀Java開發者的必經之路。