Java——設計模式（Design Pattern）

設計模式（Design Pattern）是軟件開發中針對常見問題的經典解決方案，由 GoF（Gang of Four）在《設計模式：可復用面向對象軟件的基礎》一書中歸納為23 種模式，分為三大類：創建型模式、結構型模式和行為型模式。以下是它們的分類、區別和作用詳解：

一、創建型模式（Creational Patterns）

核心作用：封裝對象的創建邏輯，分離對象的創建和使用，使系統更靈活地創建不同類型的對象。
包含模式：

工廠方法模式（Factory Method）
- 作用：定義一個創建對象的接口，由子類決定實例化哪個具體類。
- 區別：將簡單工廠的靜態創建邏輯改為動態（通過子類實現），符合開閉原則。
- 場景：創建對象的邏輯需要延遲到子類實現時（如日志工廠、數據庫連接工廠）。
抽象工廠模式（Abstract Factory）
- 作用：創建一組相關或依賴的對象（如跨平臺 UI 組件：按鈕、文本框的組合）。
- 區別：比工廠方法更復雜，用于創建多個產品族（如同時創建 Windows 和 Mac 的 UI 組件）。
單例模式（Singleton）
- 作用：確保一個類只有一個實例，并提供全局訪問點（如線程池、日志管理器）。
- 區別：通過私有化構造函數、靜態實例和線程安全機制實現。
原型模式（Prototype）
- 作用：通過復制現有對象創建新對象，避免重復初始化邏輯（如配置對象克隆）。
- 區別：基于對象克隆（實現Cloneable接口），適用于創建成本較高的對象。
建造者模式（Builder）
- 作用：將復雜對象的構建過程分解為多個步驟，允許不同的構建順序（如創建用戶對象：姓名、年齡、地址分步設置）。
- 區別：分離對象的構建和表示，適合參數多且組合復雜的對象。

二、結構型模式（Structural Patterns）

核心作用：簡化對象間的結構關系，優化類或對象的組合方式，提高系統的靈活性和可維護性。
包含模式：

適配器模式（Adapter）
- 作用：將一個類的接口轉換為另一個接口，使不兼容的類可以協同工作（如電源適配器轉換電壓）。
- 區別：分為類適配器（繼承）和對象適配器（組合），后者更常用。
裝飾器模式（Decorator）
- 作用：動態地給對象添加新功能，避免繼承導致的類爆炸（如咖啡飲品添加調料：牛奶、糖漿）。
- 區別：通過組合方式擴展功能，比繼承更靈活（開閉原則）。
代理模式（Proxy）
- 作用：為其他對象提供一個代理或占位符，控制對原對象的訪問（如遠程代理、緩存代理、權限代理）。
- 區別：代理對象與原對象實現相同接口，客戶端透明調用。
外觀模式（Facade）
- 作用：為復雜子系統提供一個統一的接口，簡化客戶端調用（如整合支付系統的統一入口）。
- 區別：降低客戶端與子系統的耦合，屬于結構型模式中的 “簡化接口” 模式。
橋接模式（Bridge）
- 作用：將抽象部分與實現部分分離，使它們可以獨立變化（如將 “消息類型” 與 “發送方式” 解耦）。
- 區別：通過組合而非繼承實現抽象和實現的分離，適用于多維度變化的場景。
組合模式（Composite）
- 作用：將對象組合成樹形結構，表示 “部分 - 整體” 的層次關系（如文件系統：文件夾包含文件和子文件夾）。
- 區別：統一處理單個對象（葉子節點）和組合對象（容器節點），簡化層次操作。
享元模式（Flyweight）
- 作用：共享多個對象的公共狀態，減少內存占用（如文本編輯器中的字符共享字體、顏色等公共屬性）。
- 區別：通過分離 “內部狀態”（共享）和 “外部狀態”（不共享）優化性能。

三、行為型模式（Behavioral Patterns）

核心作用：關注對象間的通信和算法設計，優化對象之間的交互流程，提升系統的靈活性和可擴展性。
包含模式：

策略模式（Strategy）
- 作用：定義一系列算法，將每個算法封裝起來，使它們可以相互替換（如電商促銷策略：滿減、折扣、贈品）。
- 區別：通過接口實現算法族，運行時動態切換策略，避免多重條件判斷。
模板方法模式（Template Method）
- 作用：在抽象類中定義算法骨架，具體步驟由子類實現（如 HTTP 請求處理模板：預處理→處理→后處理）。
- 區別：通過繼承強制子類實現某些步驟，屬于 “頂層設計” 模式。
觀察者模式（Observer）
- 作用：定義對象間的一對多依賴關系，當一個對象狀態改變時，所有依賴者自動更新（如訂閱 - 發布系統、股市行情通知）。
- 區別：通過注冊 / 注銷機制解耦主題（Subject）和觀察者（Observer）。
迭代器模式（Iterator）
- 作用：提供一種遍歷集合元素的統一方式，無需暴露集合內部結構（如 Java 的Iterator接口）。
- 區別：分離集合的遍歷邏輯，支持不同的遍歷方式（正向、反向、跳躍遍歷）。
責任鏈模式（Chain of Responsibility）
- 作用：將請求的發送者和處理者解耦，請求沿著鏈傳遞，直到有一個處理者處理（如審批流程：組長→經理→總監）。
- 區別：避免請求發送者與具體處理者耦合，動態調整鏈的順序。
命令模式（Command）
- 作用：將 “請求” 封裝為對象，使請求發送者和接收者解耦（如撤銷操作、日志記錄、線程池任務）。
- 區別：通過命令對象（Command）封裝動作，支持隊列化、撤銷等操作。
備忘錄模式（Memento）
- 作用：在不破壞封裝性的前提下，捕獲對象的內部狀態并保存，以便恢復（如游戲存檔、編輯器撤銷）。
- 區別：通過備忘錄（Memento）對象保存狀態，由負責人（Caretaker）管理。
狀態模式（State）
- 作用：允許對象在內部狀態改變時改變行為，對象看起來像是修改了類（如電梯狀態：運行、停止、故障）。
- 區別：將狀態邏輯封裝為獨立的狀態類，避免大量條件判斷。
訪問者模式（Visitor）
- 作用：將數據結構與作用于結構上的操作解耦，使操作可以獨立擴展（如統計文件系統中不同類型文件的大小）。
- 區別：通過訪問者（Visitor）類定義操作，數據結構（如元素 Element）負責接待訪問者。
中介者模式（Mediator）
- 作用：通過中介者對象封裝對象間的交互邏輯，避免對象直接引用（如聊天房間中介協調用戶消息傳遞）。
- 區別：減少對象間的直接依賴，將多對多交互轉換為一對多（對象與中介者）。
解釋器模式（Interpreter）
- 作用：給定一種語言，定義其文法的表示，并定義一個解釋器來解釋語言中的句子（如正則表達式引擎、數學表達式解析）。
- 區別：適用于需要頻繁改變文法或解釋規則的場景，實現成本較高。

四、三大類模式的核心區別

類型	關注重點	典型場景	關鍵作用
創建型	對象的創建方式	復雜對象初始化、對象池、單實例	解耦對象創建與使用，控制實例化邏輯
結構型	對象的組合與結構關系	接口轉換、動態擴展、層次結構	優化系統結構，簡化對象間的依賴關系
行為型	對象間的交互與算法設計	流程控制、狀態管理、消息傳遞	解耦對象交互邏輯，提升系統靈活性

五、常見模式：

創建型模式（Creational Patterns）

核心目標：封裝對象的創建過程，將對象的創建與使用分離，提高系統的靈活性和可擴展性。
特點：

隱藏對象創建的復雜邏輯。
通過接口或抽象類定義創建規范，由子類或具體實現決定具體創建方式。

模式名稱	作用與特點	應用場景示例
單例模式（Singleton）	確保一個類只有一個實例，并提供全局訪問點。	數據庫連接池、配置管理器。
工廠模式（Factory Method）	定義對象創建的接口，子類決定具體實例化哪個類。	支付網關（根據支付類型創建不同支付處理器）。
抽象工廠模式（Abstract Factory）	創建相關或依賴對象的家族，無需指定具體類。	GUI框架（創建跨平臺的按鈕、文本框等組件）。
建造者模式（Builder）	將復雜對象的構建與其表示分離，逐步構建對象。	生成復雜配置文件（如XML、JSON）。
原型模式（Prototype）	通過復制現有對象創建新對象，避免重復初始化。	克隆配置對象、快速生成相似數據。

結構型模式（Structural Patterns）

核心目標：組合類或對象的結構，形成更大的結構，簡化系統設計并提高靈活性。
特點：

通過繼承、組合或聚合等方式，定義類或對象之間的關系。
關注如何高效地組織代碼結構，優化系統的可維護性。

常見模式：

模式名稱	作用與特點	應用場景示例
適配器模式（Adapter）	將不兼容的接口轉換為兼容的接口，使原本不兼容的類可以協作。	舊系統接口與新系統對接。
裝飾器模式（Decorator）	動態地為對象添加額外功能，比繼承更靈活。	給咖啡加糖、奶泡（動態擴展功能）。
代理模式（Proxy）	為對象提供代理，控制對原始對象的訪問（如權限校驗、延遲加載）。	遠程調用、緩存代理。
外觀模式（Facade）	為子系統提供統一接口，簡化復雜系統的調用。	一鍵啟動電腦（調用多個硬件組件）。
組合模式（Composite）	將對象組合成樹形結構，表示“部分-整體”的層次關系。	文件系統（文件夾包含文件和子文件夾）。

行為型模式（Behavioral Patterns）

核心目標：定義對象之間的交互和職責分配，提高對象間的協作效率。
特點：

關注對象之間的通信方式（如事件、回調、鏈式調用）。
解耦對象之間的依賴關系，增強系統的可維護性。

模式名稱	作用與特點	應用場景示例
觀察者模式（Observer）	定義對象間的一對多依賴關系，當狀態變化時通知所有依賴對象。	事件驅動系統（如GUI事件監聽）。
策略模式（Strategy）	將算法封裝為獨立類，允許在運行時動態切換策略。	支付系統（支持多種支付方式）。
責任鏈模式（Chain of Responsibility）	將請求的發送者和接收者解耦，多個對象依次處理請求。	HTTP請求過濾器鏈（如權限校驗、日志記錄）。
命令模式（Command）	將請求封裝為對象，支持參數化請求、隊列操作和撤銷功能。	撤銷/重做功能（如文本編輯器）。
狀態模式（State）	允許對象在內部狀態改變時改變行為，避免冗長的條件判斷。	狀態機（如訂單狀態：待支付、已發貨、已完成）。