结构型模式

一、适配器模式

适配器模式（Adapter Pattern）是作为两个不兼容的接口之间的桥梁。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责加入独立的或不兼容的接口功能。

• 意图：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。适配器模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。
• 主要解决：解决在软件系统中，常常要将一些"现存的对象"放到新的环境中，而新环境要求的接口是现对象不能满足的。
• 何时使用
  • 系统需要使用现有的类，而此类的接口不符合系统的需要。 
  • 想要建立一个可以重复使用的类，用于与一些彼此之间没有太大关联的一些类，包括一些可能在将来引进的类一起工作，这些源类不一定有一致的接口。
  • 通过接口转换，将一个类插入另一个类系中。（比如老虎和飞禽，现在多了一个飞虎，在不增加实体的需求下，增加一个适配器，在里面包容一个虎对象，实现飞的接口。
• 如何解决：继承或依赖（推荐）
• 关键代码：适配器继承或依赖已有的对象，实现想要的目标接口。
• 优点
  • 可以让任何两个没有关联的类一起运行。
  • 提高了类的复用。
  • 增加了类的透明度。
  • 灵活性好。
• 缺点
  • 过多地使用适配器，会让系统非常零乱，不易整体进行把握。比如，明明看到调用的是 A 接口，其实内部被适配成了 B 接口的实现，一个系统如果太多出现这种情况，无异于一场灾难。因此如果不是很有必要，可以不使用适配器，而是直接对系统进行重构。
  • 由于 JAVA 至多继承一个类，所以至多只能适配一个适配者类，而且目标类必须是抽象类。
• 使用场景：有动机地修改一个正常运行的系统的接口，这时应该考虑使用适配器模式。
• 注意事项：适配器不是在详细设计时添加的，而是解决正在服役的项目的问题。

实现示例

#步骤1

为媒体播放器和更高级的媒体播放器创建接口。

public interface MediaPlayer {
   public void play(String audioType, String fileName);
}

public interface AdvancedMediaPlayer { 
   public void playVlc(String fileName);
   public void playMp4(String fileName);
}

#步骤2

创建实现了 AdvancedMediaPlayer 接口的实体类。

public class VlcPlayer implements AdvancedMediaPlayer{
   @Override
   public void playVlc(String fileName) {
      System.out.println("Playing vlc file. Name: "+ fileName);      
   }
 
   @Override
   public void playMp4(String fileName) {
      //什么也不做
   }
}

public class Mp4Player implements AdvancedMediaPlayer{
 
   @Override
   public void playVlc(String fileName) {
      //什么也不做
   }
 
   @Override
   public void playMp4(String fileName) {
      System.out.println("Playing mp4 file. Name: "+ fileName);      
   }
}

#步骤3

创建实现了 MediaPlayer 接口的适配器类。

public class MediaAdapter implements MediaPlayer {
 
   AdvancedMediaPlayer advancedMusicPlayer;
 
   public MediaAdapter(String audioType){
      if(audioType.equalsIgnoreCase("vlc") ){
         advancedMusicPlayer = new VlcPlayer();       
      } else if (audioType.equalsIgnoreCase("mp4")){
         advancedMusicPlayer = new Mp4Player();
      }  
   }
 
   @Override
   public void play(String audioType, String fileName) {
      if(audioType.equalsIgnoreCase("vlc")){
         advancedMusicPlayer.playVlc(fileName);
      }else if(audioType.equalsIgnoreCase("mp4")){
         advancedMusicPlayer.playMp4(fileName);
      }
   }
}

#步骤4

创建实现了 MediaPlayer 接口的实体类。

public class AudioPlayer implements MediaPlayer {
   MediaAdapter mediaAdapter; 
 
   @Override
   public void play(String audioType, String fileName) {    
 
      //播放 mp3 音乐文件的内置支持
      if(audioType.equalsIgnoreCase("mp3")){
         System.out.println("Playing mp3 file. Name: "+ fileName);         
      } 
      //mediaAdapter 提供了播放其他文件格式的支持
      else if(audioType.equalsIgnoreCase("vlc") 
         || audioType.equalsIgnoreCase("mp4")){
         mediaAdapter = new MediaAdapter(audioType);
         mediaAdapter.play(audioType, fileName);
      }
      else{
         System.out.println("Invalid media. "+
            audioType + " format not supported");
      }
   }   
}

#步骤5

使用 AudioPlayer 来播放不同类型的音频格式。

public class AdapterPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      AudioPlayer audioPlayer = new AudioPlayer();
 
      audioPlayer.play("mp3", "beyond the horizon.mp3");
      audioPlayer.play("mp4", "alone.mp4");
      audioPlayer.play("vlc", "far far away.vlc");
      audioPlayer.play("avi", "mind me.avi");
   }
}

二、装饰器模式

装饰器模式（Decorator Pattern）允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构，它是作为现有的类的一个包装。

这种模式创建了一个装饰类，用来包装原有的类，并在保持类方法签名完整性的前提下，提供了额外的功能。

• 意图：动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，装饰器模式相比生成子类更为灵活。
• 主要解决：一般的，我们为了扩展一个类经常使用继承方式实现，由于继承为类引入静态特征，并且随着扩展功能的增多，子类会很膨胀。
• 何时使用：在不想增加很多子类的情况下扩展类。
• 如何解决：将具体功能职责划分，同时继承装饰者模式。
• 关键代码
  • Component 类充当抽象角色，不应该具体实现。
  • 修饰类引用和继承 Component 类，具体扩展类重写父类方法。
• 优点：装饰类和被装饰类可以独立发展，不会相互耦合，装饰模式是继承的一个替代模式，装饰模式可以动态扩展一个实现类的功能。
• 缺点：多层装饰比较复杂。
• 使用场景
  • 扩展一个类的功能
  • 动态增加、动态撤销
• 注意事项：可代替继承

实现示例

 #步骤1

创建一个接口。

public interface Shape {
   void draw();
}

#步骤2

创建实现接口的实体类。

public class Rectangle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Shape: Rectangle");
   }
}

public class Circle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Shape: Circle");
   }
}

#步骤3

创建实现了 Shape 接口的抽象装饰类。

public abstract class ShapeDecorator implements Shape {
   protected Shape decoratedShape;
 
   public ShapeDecorator(Shape decoratedShape){
      this.decoratedShape = decoratedShape;
   }
 
   public void draw(){
      decoratedShape.draw();
   }  
}

#步骤4

创建扩展了 ShapeDecorator 类的实体装饰类。

public class RedShapeDecorator extends ShapeDecorator {
 
   public RedShapeDecorator(Shape decoratedShape) {
      super(decoratedShape);     
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      decoratedShape.draw();         
      setRedBorder(decoratedShape);
   }
 
   private void setRedBorder(Shape decoratedShape){
      System.out.println("Border Color: Red");
   }
}

#步骤5

使用 RedShapeDecorator 来装饰 Shape 对象。

public class DecoratorPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      Shape circle = new Circle();
      ShapeDecorator redCircle = new RedShapeDecorator(new Circle());
      ShapeDecorator redRectangle = new RedShapeDecorator(new Rectangle());
      //Shape redCircle = new RedShapeDecorator(new Circle());
      //Shape redRectangle = new RedShapeDecorator(new Rectangle());
      System.out.println("Circle with normal border");
      circle.draw();
 
      System.out.println("
Circle of red border");
      redCircle.draw();
 
      System.out.println("
Rectangle of red border");
      redRectangle.draw();
   }
}

三、外观模式

外观模式（Facade Pattern）隐藏系统的复杂性，并向客户端提供了一个客户端可以访问系统的接口。

这种模式涉及到一个单一的类，该类提供了客户端请求的简化方法和对现有系统类方法的委托调用。

• 意图：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，外观模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。
• 主要解决：降低访问复杂系统的内部子系统时的复杂度，简化客户端与之的接口。
• 何时使用
  • 客户端不需要知道系统内部的复杂联系，整个系统只需提供一个"接待员"即可。
  • 定义系统的入口。
• 如何解决：客户端不与系统耦合，外观类与系统耦合。
• 关键代码：在客户端和复杂系统之间再加一层，这一层将调用顺序、依赖关系等处理好。
• 优点
  • 减少系统相互依赖。
  • 提高灵活性。
  • 提高了安全性。
• 缺点：不符合开闭原则，如果要改东西很麻烦，继承重写都不合适。
• 使用场景：
  • 为复杂的模块或子系统提供外界访问的模块。
  • 子系统相对独立。
  • 预防低水平人员带来的风险。
• 注意事项：在层次化结构中，可以使用外观模式定义系统中每一层的入口。

实现示例

#步骤1

创建一个接口。

public interface Shape {
   void draw();
}

#步骤2

创建实现接口的实体类。

public class Rectangle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Rectangle::draw()");
   }
}

public class Square implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Square::draw()");
   }
}

public class Circle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Circle::draw()");
   }
}

#步骤3

创建一个外观类。

public class ShapeMaker {
   private Shape circle;
   private Shape rectangle;
   private Shape square;
 
   public ShapeMaker() {
      circle = new Circle();
      rectangle = new Rectangle();
      square = new Square();
   }
 
   public void drawCircle(){
      circle.draw();
   }
   public void drawRectangle(){
      rectangle.draw();
   }
   public void drawSquare(){
      square.draw();
   }
}

#步骤4

使用该外观类画出各种类型的形状。

public class FacadePatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      ShapeMaker shapeMaker = new ShapeMaker();
 
      shapeMaker.drawCircle();
      shapeMaker.drawRectangle();
      shapeMaker.drawSquare();      
   }
}

四、享元模式

享元模式（Flyweight Pattern）主要用于减少创建对象的数量，以减少内存占用和提高性能。它提供了减少对象数量从而改善应用所需的对象结构的方式。

享元模式尝试重用现有的同类对象，如果未找到匹配的对象，则创建新对象。

• 意图：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
• 主要解决：在有大量对象时，有可能会造成内存溢出，我们把其中共同的部分抽象出来，如果有相同的业务请求，直接返回在内存中已有的对象，避免重新创建。
• 何时使用
  • 系统中有大量对象。
  • 这些对象消耗大量内存。
  • 这些对象的状态大部分可以外部化。
  • 这些对象可以按照内蕴状态分为很多组，当把外蕴对象从对象中剔除出来时，每一组对象都可以用一个对象来代替。
  • 系统不依赖于这些对象身份，这些对象是不可分辨的。
• 如何解决：用唯一标识码判断，如果在内存中有，则返回这个唯一标识码所标识的对象。
• 关键代码：用 HashMap 存储这些对象。
• 应用实例
  • JAVA 中的 String，如果有则返回，如果没有则创建一个字符串保存在字符串缓存池里面。
  • 数据库中的连接池
• 优点：大大减少对象的创建，降低系统的内存，使效率提高。
• 缺点：提高了系统的复杂度，需要分离出外部状态和内部状态，而且外部状态具有固有化的性质，不应该随着内部状态的变化而变化，否则会造成系统的混乱。
• 使用场景：
  • 系统有大量相似对象。
  • 需要缓冲池的场景。
• 注意事项
  • 注意划分外部状态和内部状态，否则可能会引起线程安全问题。
  • 这些类必须有一个工厂对象加以控制。

实现示例

#步骤1

创建一个接口

public interface Shape {
   void draw();
}

#步骤2

创建实现接口的实体类。

public class Circle implements Shape {
   private String color;
   private int x;
   private int y;
   private int radius;
 
   public Circle(String color){
      this.color = color;     
   }
 
   public void setX(int x) {
      this.x = x;
   }
 
   public void setY(int y) {
      this.y = y;
   }
 
   public void setRadius(int radius) {
      this.radius = radius;
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Circle: Draw() [Color : " + color 
         +", x : " + x +", y :" + y +", radius :" + radius);
   }
}

#步骤3

创建一个工厂，生成基于给定信息的实体类的对象。

mport java.util.HashMap;
 
public class ShapeFactory {
   private static final HashMap<String, Shape> circleMap = new HashMap<>();
 
   public static Shape getCircle(String color) {
      Circle circle = (Circle)circleMap.get(color);
 
      if(circle == null) {
         circle = new Circle(color);
         circleMap.put(color, circle);
         System.out.println("Creating circle of color : " + color);
      }
      return circle;
   }
}

#步骤4

使用该工厂，通过传递颜色信息来获取实体类的对象。

public class FlyweightPatternDemo {
   private static final String colors[] = 
      { "Red", "Green", "Blue", "White", "Black" };
   public static void main(String[] args) {
 
      for(int i=0; i < 20; ++i) {
         Circle circle = 
            (Circle)ShapeFactory.getCircle(getRandomColor());
         circle.setX(getRandomX());
         circle.setY(getRandomY());
         circle.setRadius(100);
         circle.draw();
      }
   }
   private static String getRandomColor() {
      return colors[(int)(Math.random()*colors.length)];
   }
   private static int getRandomX() {
      return (int)(Math.random()*100 );
   }
   private static int getRandomY() {
      return (int)(Math.random()*100);
   }
}

五、代理模式

在代理模式（Proxy Pattern）中，一个类代表另一个类的功能。

在代理模式中，我们创建具有现有对象的对象，以便向外界提供功能接口。

• 意图：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
• 主要解决：在直接访问对象时带来的问题，比如说：要访问的对象在远程的机器上。在面向对象系统中，有些对象由于某些原因（比如对象创建开销很大，或者某些操作需要安全控制，或者需要进程外的访问），直接访问会给使用者或者系统结构带来很多麻烦，我们可以在访问此对象时加上一个对此对象的访问层。
• 何时使用：想在访问一个类时做一些控制。
• 如何解决：增加中间层。
• 关键代码：实现与被代理类组合。
• 优点：职责清晰。 高扩展性。 智能化。
• 缺点
  • 由于在客户端和真实主题之间增加了代理对象，因此有些类型的代理模式可能会造成请求的处理速度变慢。
  • 实现代理模式需要额外的工作，有些代理模式的实现非常复杂。
• 使用场景：按职责分，有远程代理、虚拟代理、Copy-on-Write 代理、保护（Protect or Access）代理、Cache代理、防火墙（Firewall）代理、同步化（Synchronization）代理、智能引用（Smart Reference）代理
• 注意事项：
  • 和适配器模式的区别：适配器模式主要改变所考虑对象的接口，而代理模式不能改变所代理类的接口。
  • 和装饰器模式的区别：装饰器模式为了增强功能，而代理模式是为了加以控制。

实现示例

#步骤1

创建一个接口。

public interface Image {
   void display();
}

#步骤2

创建实现接口的实体类。

public class RealImage implements Image {
 
   private String fileName;
 
   public RealImage(String fileName){
      this.fileName = fileName;
      loadFromDisk(fileName);
   }
 
   @Override
   public void display() {
      System.out.println("Displaying " + fileName);
   }
 
   private void loadFromDisk(String fileName){
      System.out.println("Loading " + fileName);
   }
}

public class ProxyImage implements Image{
 
   private RealImage realImage;
   private String fileName;
 
   public ProxyImage(String fileName){
      this.fileName = fileName;
   }
 
   @Override
   public void display() {
      if(realImage == null){
         realImage = new RealImage(fileName);
      }
      realImage.display();
   }
}

#步骤4

当被请求时，使用 ProxyImage 来获取 RealImage 类的对象。

public class ProxyPatternDemo {
   
   public static void main(String[] args) {
      Image image = new ProxyImage("test_10mb.jpg");
 
      // 图像将从磁盘加载
      image.display(); 
      System.out.println("");
      // 图像不需要从磁盘加载
      image.display();  
   }
}