设计模式-结构型模式-超级棒的例子!

发布于 2022年 01月 24日 00:42

阅读推荐:设计模式-简单篇

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设计模式是针对软件设计中常见问题的工具箱, 其中的工具就是各种经过实践验证的解决方案。 即使你从未遇到过这些问题, 了解模式仍然非常有用, 因为它能指导你如何使用面向对象的设计原则来解决各种问题。

算法更像是菜谱: 提供达成目标的明确步骤。 而模式更像是蓝图: 你可以看到最终的结果和模式的功能, 但需要自己确定实现步骤。

GoF 23(分类)

  • 创建型模式:提供创建对象的机制, 增加已有代码的灵活性和可复用性。
  • 结构型模式:介绍如何将对象和类组装成较大的结构, 并同时保持结构的灵活和高效。
  • 行为模式:负责对象间的高效沟通和职责委派。
不同设计模式的复杂程度、 细节层次以及在整个系统中的应用范围等方面各不相同。 
我喜欢将其类比于道路的建造: 
如果你希望让十字路口更加安全, 那么可以安装一些交通信号灯, 或者修建包含行人地下通道在内的多层互通式立交桥。

最基础的、 底层的模式通常被称为惯用技巧。 这类模式一般只能在一种编程语言中使用。

最通用的、 高层的模式是构架模式。 开发者可以在任何编程语言中使用这类模式。 
与其他模式不同, 它们可用于整个应用程序的架构设计。
  • 创建型模式:
    • 单例模式,工厂模式, 抽象工厂模式, 建造者模式, 原型模式
  • 结构型模式:
    • 适配器模式, 桥接模式, 装饰模式, 组合模式, 外观模式, 享元模式, 代理模式
  • 行为型模式:
    • 模板方法模式, 命令模式, 迭代器模式, 观察者模式, 中介者模式, 备忘录模式, 解释器模式, 状态模式, 策略模式, 职责链模式, 访问者模式

OOP 七大原则

面向对象程序设计(Object Oriented Programming,OOP)。

1、开闭原则

对扩展开放, 对修改关闭。

2、单一职责原则
每个类应该实现单一的职责,不要存在多于一个导致类变更的原因,否则就应该把类拆分。该原则是实现高内聚、低耦合的指导方针。

3、里氏替换原则(Liskov Substitution Principle)
任何基类可以出现的地方,子类一定可以出现。里氏替换原则是继承复用的基石,只有当衍生类可以替换基类,软件单位的功能不受到影响时,基类才能真正被复用,而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。

里氏替换原则是对开闭原则的补充。实现开闭原则的关键就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现,所以里氏替换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。里氏替换原则中,子类对父类的方法尽量不要重写和重载。因为父类代表了定义好的结构,通过这个规范的接口与外界交互,子类不应该随便破坏它。

4、依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)
面向接口编程,依赖于抽象而不依赖于具体。用到具体类时,不与具体类交互,而与具体类的上层接口交互。

5、接口隔离原则(Interface Segregation Principle)
每个接口中不存在子类用不到却必须实现的方法,否则就要将接口拆分。使用多个隔离的接口,比使用单个接口(多个接口中的方法聚合到一个的接口)要好。

6、迪米特法则(最少知道原则)(Demeter Principle)
一个类对自己依赖的类知道的越少越好。无论被依赖的类多么复杂,都应该将逻辑封装在方法的内部,通过 public 方法提供给外部。这样当被依赖的类变化时,才能最小的影响该类。

7、合成复用原则(Composite Reuse Principle)
软件复用时,要先尽量使用组合或者聚合等关联关系实现,其次才考虑使用继承。即在一个新对象里通过关联的方式使用已有对象的一些方法和功能。

StructuralPatterns

Adapter

背景

适配器模式是一种结构型设计模式, 它能使接口不兼容的对象能够相互合作。

假如你正在开发一款股票市场监测程序, 
它会从不同来源下载 XML 格式的股票数据, 然后向用户呈现出美观的图表。

在开发过程中, 你决定在程序中整合一个第三方智能分析函数库。 
但是遇到了一个问题, 那就是分析函数库只兼容 JSON 格式的数据。

你可以修改程序库来支持 XML。 
但是, 这可能需要修改部分依赖该程序库的现有代码。 
甚至还有更糟糕的情况, 你可能根本没有程序库的源代码, 从而无法对其进行修改。
你可以创建一个适配器。 这是一个特殊的对象, 能够转换对象接口, 使其能与其他对象进行交互。

适配器模式通过封装对象将复杂的转换过程隐藏于幕后。 被封装的对象甚至察觉不到适配器的存在。 

对象适配器:实现时使用了构成原则: 适配器实现了其中一个对象的接口, 并对另一个对象进行封装。

类适配器: 这一实现使用了继承机制: 适配器同时继承两个对象的接口。

适用场景

  • 当你希望使用某个类, 但是其接口与其他代码不兼容时, 可以使用适配器类。
  • 如果您需要复用这样一些类, 他们处于同一个继承体系, 并且他们又有了额外的一些共同的方法, 但是这些共同的方法不是所有在这一继承体系中的子类所具有的共性。

实例-实现

使用示例: 适配器模式在 Java 代码中很常见。 基于一些遗留代码的系统常常会使用该模式。 在这种情况下, 适配器让遗留代码与现代的类得以相互合作。

Java 核心程序库中有一些标准的适配器:

识别方法: 适配器可以通过以不同抽象或接口类型实例为参数的构造函数来识别。 当适配器的任何方法被调用时, 它会将参数转换为合适的格式, 然后将调用定向到其封装对象中的一个或多个方法。

让方钉适配圆孔

这个简单的例子展示了适配器如何让不兼容的对象相互合作。

round

round/RoundHole.java: 圆孔

/**
 * RoundHoles are compatible with RoundPegs.
 */
public class RoundHole {
    private double radius;

    public RoundHole(double radius) {
        this.radius = radius;
    }

    public double getRadius() {
        return radius;
    }

    public boolean fits(RoundPeg peg) {
        boolean result;
        result = (this.getRadius() >= peg.getRadius());
        return result;
    }
}

round/RoundPeg.java: 圆钉

/**
 * RoundPegs are compatible with RoundHoles.
 */
public class RoundPeg {
    private double radius;

    public RoundPeg() {}

    public RoundPeg(double radius) {
        this.radius = radius;
    }

    public double getRadius() {
        return radius;
    }
}

square

square/SquarePeg.java: 方钉

/**
 * SquarePegs are not compatible with RoundHoles (they were implemented by
 * previous development team). But we have to integrate them into our program.
 */
public class SquarePeg {
    private double width;

    public SquarePeg(double width) {
        this.width = width;
    }

    public double getWidth() {
        return width;
    }

    public double getSquare() {
        double result;
        result = Math.pow(this.width, 2);
        return result;
    }
}

adapters

adapters/SquarePegAdapter.java: 方钉到圆孔的适配器

/**
 * Adapter allows fitting square pegs into round holes.
 */
public class SquarePegAdapter extends RoundPeg {
    private SquarePeg peg;

    public SquarePegAdapter(SquarePeg peg) {
        this.peg = peg;
    }

    @Override
    public double getRadius() {
        double result;
        // Calculate a minimum circle radius, which can fit this peg.
        result = (Math.sqrt(Math.pow((peg.getWidth() / 2), 2) * 2));
        return result;
    }
}

Demo.java: 客户端代码

/**
 * Somewhere in client code...
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        // Round fits round, no surprise.
        RoundHole hole = new RoundHole(5);
        RoundPeg rpeg = new RoundPeg(5);
        if (hole.fits(rpeg)) {
            System.out.println("Round peg r5 fits round hole r5.");
        }

        SquarePeg smallSqPeg = new SquarePeg(2);
        SquarePeg largeSqPeg = new SquarePeg(20);
        // hole.fits(smallSqPeg); // Won't compile.

        // Adapter solves the problem.
        SquarePegAdapter smallSqPegAdapter = new SquarePegAdapter(smallSqPeg);
        SquarePegAdapter largeSqPegAdapter = new SquarePegAdapter(largeSqPeg);
        if (hole.fits(smallSqPegAdapter)) {
            System.out.println("Square peg w2 fits round hole r5.");
        }
        if (!hole.fits(largeSqPegAdapter)) {
            System.out.println("Square peg w20 does not fit into round hole r5.");
        }
    }
}

OutputDemo.txt: 执行结果

Round peg r5 fits round hole r5.
Square peg w2 fits round hole r5.
Square peg w20 does not fit into round hole r5.

与其他模式的关系

  • 桥接模式通常会于开发前期进行设计, 使你能够将程序的各个部分独立开来以便开发。 另一方面, 适配器模式通常在已有程序中使用, 让相互不兼容的类能很好地合作。
  • 适配器可以对已有对象的接口进行修改, 装饰模式则能在不改变对象接口的前提下强化对象功能。 此外, 装饰还支持递归组合, 适配器则无法实现。
  • 适配器能为被封装对象提供不同的接口, 代理模式能为对象提供相同的接口, 装饰则能为对象提供加强的接口。
  • 外观模式为现有对象定义了一个新接口, 适配器则会试图运用已有的接口。 适配器通常只封装一个对象, 外观通常会作用于整个对象子系统上。
  • 桥接状态模式策略模式 (在某种程度上包括适配器) 模式的接口非常相似。 实际上, 它们都基于组合模式——即将工作委派给其他对象, 不过也各自解决了不同的问题。 模式并不只是以特定方式组织代码的配方, 你还可以使用它们来和其他开发者讨论模式所解决的问题。

Bridge

背景

桥接模式是一种结构型设计模式, 可将一个大类或一系列紧密相关的类拆分为抽象和实现两个独立的层次结构, 从而能在开发时分别使用。

适用场景

  • 如果你想要拆分或重组一个具有多重功能的庞杂类 (例如能与多个数据库服务器进行交互的类), 可以使用桥接模式。
  • 如果你希望在几个独立维度上扩展一个类, 可使用该模式。
  • 如果你需要在运行时切换不同实现方法, 可使用桥接模式。

实例-实现

使用示例: 桥接模式在处理跨平台应用、 支持多种类型的数据库服务器或与多个特定种类 (例如云平台和社交网络等) 的 API 供应商协作时会特别有用。

识别方法: 桥接可以通过一些控制实体及其所依赖的多个不同平台之间的明确区别来进行识别。

设备和远程控制之间的桥接

本例展示了远程控制器及其所控制的设备的类之间的分离。

远程控制器是抽象部分, 设备则是其实现部分。 由于有通用的接口, 同一远程控制器可与不同的设备合作, 反过来也一样。

桥接模式允许在不改动另一层次代码的前提下修改已有类, 甚至创建新类。

devices

devices/Device.java: 所有设备的通用接口

public interface Device {
    boolean isEnabled();

    void enable();

    void disable();

    int getVolume();

    void setVolume(int percent);

    int getChannel();

    void setChannel(int channel);

    void printStatus();
}

devices/Radio.java: 收音机

public class Radio implements Device {
    private boolean on = false;
    private int volume = 30;
    private int channel = 1;

    @Override
    public boolean isEnabled() {
        return on;
    }

    @Override
    public void enable() {
        on = true;
    }

    @Override
    public void disable() {
        on = false;
    }

    @Override
    public int getVolume() {
        return volume;
    }

    @Override
    public void setVolume(int volume) {
        if (volume > 100) {
            this.volume = 100;
        } else if (volume < 0) {
            this.volume = 0;
        } else {
            this.volume = volume;
        }
    }

    @Override
    public int getChannel() {
        return channel;
    }

    @Override
    public void setChannel(int channel) {
        this.channel = channel;
    }

    @Override
    public void printStatus() {
        System.out.println("------------------------------------");
        System.out.println("| I'm radio.");
        System.out.println("| I'm " + (on ? "enabled" : "disabled"));
        System.out.println("| Current volume is " + volume + "%");
        System.out.println("| Current channel is " + channel);
        System.out.println("------------------------------------\n");
    }
}

devices/Tv.java: 电视机

public class Tv implements Device {
    private boolean on = false;
    private int volume = 30;
    private int channel = 1;

    @Override
    public boolean isEnabled() {
        return on;
    }

    @Override
    public void enable() {
        on = true;
    }

    @Override
    public void disable() {
        on = false;
    }

    @Override
    public int getVolume() {
        return volume;
    }

    @Override
    public void setVolume(int volume) {
        if (volume > 100) {
            this.volume = 100;
        } else if (volume < 0) {
            this.volume = 0;
        } else {
            this.volume = volume;
        }
    }

    @Override
    public int getChannel() {
        return channel;
    }

    @Override
    public void setChannel(int channel) {
        this.channel = channel;
    }

    @Override
    public void printStatus() {
        System.out.println("------------------------------------");
        System.out.println("| I'm TV set.");
        System.out.println("| I'm " + (on ? "enabled" : "disabled"));
        System.out.println("| Current volume is " + volume + "%");
        System.out.println("| Current channel is " + channel);
        System.out.println("------------------------------------\n");
    }
}

remotes

remotes/Remote.java: 所有远程控制器的通用接口

public interface Remote {
    void power();

    void volumeDown();

    void volumeUp();

    void channelDown();

    void channelUp();
}

remotes/BasicRemote.java: 基础远程控制器

public class BasicRemote implements Remote {
    protected Device device;

    public BasicRemote() {}

    public BasicRemote(Device device) {
        this.device = device;
    }

    @Override
    public void power() {
        System.out.println("Remote: power toggle");
        if (device.isEnabled()) {
            device.disable();
        } else {
            device.enable();
        }
    }

    @Override
    public void volumeDown() {
        System.out.println("Remote: volume down");
        device.setVolume(device.getVolume() - 10);
    }

    @Override
    public void volumeUp() {
        System.out.println("Remote: volume up");
        device.setVolume(device.getVolume() + 10);
    }

    @Override
    public void channelDown() {
        System.out.println("Remote: channel down");
        device.setChannel(device.getChannel() - 1);
    }

    @Override
    public void channelUp() {
        System.out.println("Remote: channel up");
        device.setChannel(device.getChannel() + 1);
    }
}

remotes/AdvancedRemote.java: 高级远程控制器

public class AdvancedRemote extends BasicRemote {

    public AdvancedRemote(Device device) {
        super.device = device;
    }

    public void mute() {
        System.out.println("Remote: mute");
        device.setVolume(0);
    }
}

Demo.java: 客户端代码

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        testDevice(new Tv());
        testDevice(new Radio());
    }

    public static void testDevice(Device device) {
        System.out.println("Tests with basic remote.");
        BasicRemote basicRemote = new BasicRemote(device);
        basicRemote.power();
        device.printStatus();

        System.out.println("Tests with advanced remote.");
        AdvancedRemote advancedRemote = new AdvancedRemote(device);
        advancedRemote.power();
        advancedRemote.mute();
        device.printStatus();
    }
}

OutputDemo.txt: 执行结果

Tests with basic remote.
Remote: power toggle
------------------------------------
| I'm TV set.
| I'm enabled
| Current volume is 30%
| Current channel is 1
------------------------------------

Tests with advanced remote.
Remote: power toggle
Remote: mute
------------------------------------
| I'm TV set.
| I'm disabled
| Current volume is 0%
| Current channel is 1
------------------------------------

Tests with basic remote.
Remote: power toggle
------------------------------------
| I'm radio.
| I'm enabled
| Current volume is 30%
| Current channel is 1
------------------------------------

Tests with advanced remote.
Remote: power toggle
Remote: mute
------------------------------------
| I'm radio.
| I'm disabled
| Current volume is 0%
| Current channel is 1
------------------------------------

与其他模式的关系

  • 桥接模式通常会于开发前期进行设计, 使你能够将程序的各个部分独立开来以便开发。 另一方面, 适配器模式通常在已有程序中使用, 让相互不兼容的类能很好地合作。
  • 桥接状态模式策略模式 (在某种程度上包括适配器) 模式的接口非常相似。 实际上, 它们都基于组合模式——即将工作委派给其他对象, 不过也各自解决了不同的问题。 模式并不只是以特定方式组织代码的配方, 你还可以使用它们来和其他开发者讨论模式所解决的问题。
  • 你可以将抽象工厂模式桥接搭配使用。 如果由桥接定义的抽象只能与特定实现合作, 这一模式搭配就非常有用。 在这种情况下, 抽象工厂可以对这些关系进行封装, 并且对客户端代码隐藏其复杂性。
  • 你可以结合使用生成器模式桥接模式主管类负责抽象工作, 各种不同的生成器负责实现工作。

Composite

组合模式是一种结构型设计模式, 你可以使用它将对象组合成树状结构, 并且能像使用独立对象一样使用它们。

背景

该方式的最大优点在于你无需了解构成树状结构的对象的具体类。 你也无需了解对象是简单的产品还是复杂的盒子。 你只需调用通用接口以相同的方式对其进行处理即可。 当你调用该方法后, 对象会将请求沿着树结构传递下去。

适用场景

  • 如果你需要实现树状对象结构, 可以使用组合模式。
  • 如果你希望客户端代码以相同方式处理简单和复杂元素, 可以使用该模式 。

实例-实现

使用实例: 组合模式在 Java 代码中很常见,常用于表示与图形打交道的用户界面组件或代码的层次结构。

下面是一些来自 Java 标准程序库中的组合示例:

识别方法: 组合可以通过将同一抽象或接口类型的实例放入树状结构的行为方法来轻松识别。

简单和复合图形

本例展示了如何利用较为简单的形状来组成复杂图形, 以及如何统一处理简单和复杂图形。

shapes

shapes/Shape.java: 通用形状接口

import java.awt.*;

public interface Shape {
    int getX();
    int getY();
    int getWidth();
    int getHeight();
    void move(int x, int y);
    boolean isInsideBounds(int x, int y);
    void select();
    void unSelect();
    boolean isSelected();
    void paint(Graphics graphics);
}

shapes/BaseShape.java: 提供基本功能的抽象形状

import java.awt.*;

abstract class BaseShape implements Shape {
    public int x;
    public int y;
    public Color color;
    private boolean selected = false;

    BaseShape(int x, int y, Color color) {
        this.x = x;
        this.y = y;
        this.color = color;
    }

    @Override
    public int getX() {
        return x;
    }

    @Override
    public int getY() {
        return y;
    }

    @Override
    public int getWidth() {
        return 0;
    }

    @Override
    public int getHeight() {
        return 0;
    }

    @Override
    public void move(int x, int y) {
        this.x += x;
        this.y += y;
    }

    @Override
    public boolean isInsideBounds(int x, int y) {
        return x > getX() && x < (getX() + getWidth()) &&
                y > getY() && y < (getY() + getHeight());
    }

    @Override
    public void select() {
        selected = true;
    }

    @Override
    public void unSelect() {
        selected = false;
    }

    @Override
    public boolean isSelected() {
        return selected;
    }

    void enableSelectionStyle(Graphics graphics) {
        graphics.setColor(Color.LIGHT_GRAY);

        Graphics2D g2 = (Graphics2D) graphics;
        float dash1[] = {2.0f};
        g2.setStroke(new BasicStroke(1.0f,
                BasicStroke.CAP_BUTT,
                BasicStroke.JOIN_MITER,
                2.0f, dash1, 0.0f));
    }

    void disableSelectionStyle(Graphics graphics) {
        graphics.setColor(color);
        Graphics2D g2 = (Graphics2D) graphics;
        g2.setStroke(new BasicStroke());
    }


    @Override
    public void paint(Graphics graphics) {
        if (isSelected()) {
            enableSelectionStyle(graphics);
        }
        else {
            disableSelectionStyle(graphics);
        }

        // ...
    }
}

shapes/Dot.java:

import java.awt.*;

public class Dot extends BaseShape {
    private final int DOT_SIZE = 3;

    public Dot(int x, int y, Color color) {
        super(x, y, color);
    }

    @Override
    public int getWidth() {
        return DOT_SIZE;
    }

    @Override
    public int getHeight() {
        return DOT_SIZE;
    }

    @Override
    public void paint(Graphics graphics) {
        super.paint(graphics);
        graphics.fillRect(x - 1, y - 1, getWidth(), getHeight());
    }
}

shapes/Circle.java: 圆形

import java.awt.*;

public class Circle extends BaseShape {
    public int radius;

    public Circle(int x, int y, int radius, Color color) {
        super(x, y, color);
        this.radius = radius;
    }

    @Override
    public int getWidth() {
        return radius * 2;
    }

    @Override
    public int getHeight() {
        return radius * 2;
    }

    public void paint(Graphics graphics) {
        super.paint(graphics);
        graphics.drawOval(x, y, getWidth() - 1, getHeight() - 1);
    }
}

shapes/Rectangle.java: 三角形

import java.awt.*;

public class Rectangle extends BaseShape {
    public int width;
    public int height;

    public Rectangle(int x, int y, int width, int height, Color color) {
        super(x, y, color);
        this.width = width;
        this.height = height;
    }

    @Override
    public int getWidth() {
        return width;
    }

    @Override
    public int getHeight() {
        return height;
    }

    @Override
    public void paint(Graphics graphics) {
        super.paint(graphics);
        graphics.drawRect(x, y, getWidth() - 1, getHeight() - 1);
    }
}

shapes/CompoundShape.java: 由其他形状对象组成的复合形状

import java.awt.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class CompoundShape extends BaseShape {
    protected List<Shape> children = new ArrayList<>();

    public CompoundShape(Shape... components) {
        super(0, 0, Color.BLACK);
        add(components);
    }

    public void add(Shape component) {
        children.add(component);
    }

    public void add(Shape... components) {
        children.addAll(Arrays.asList(components));
    }

    public void remove(Shape child) {
        children.remove(child);
    }

    public void remove(Shape... components) {
        children.removeAll(Arrays.asList(components));
    }

    public void clear() {
        children.clear();
    }

    @Override
    public int getX() {
        if (children.size() == 0) {
            return 0;
        }
        int x = children.get(0).getX();
        for (Shape child : children) {
            if (child.getX() < x) {
                x = child.getX();
            }
        }
        return x;
    }

    @Override
    public int getY() {
        if (children.size() == 0) {
            return 0;
        }
        int y = children.get(0).getY();
        for (Shape child : children) {
            if (child.getY() < y) {
                y = child.getY();
            }
        }
        return y;
    }

    @Override
    public int getWidth() {
        int maxWidth = 0;
        int x = getX();
        for (Shape child : children) {
            int childsRelativeX = child.getX() - x;
            int childWidth = childsRelativeX + child.getWidth();
            if (childWidth > maxWidth) {
                maxWidth = childWidth;
            }
        }
        return maxWidth;
    }

    @Override
    public int getHeight() {
        int maxHeight = 0;
        int y = getY();
        for (Shape child : children) {
            int childsRelativeY = child.getY() - y;
            int childHeight = childsRelativeY + child.getHeight();
            if (childHeight > maxHeight) {
                maxHeight = childHeight;
            }
        }
        return maxHeight;
    }

    @Override
    public void move(int x, int y) {
        for (Shape child : children) {
            child.move(x, y);
        }
    }

    @Override
    public boolean isInsideBounds(int x, int y) {
        for (Shape child : children) {
            if (child.isInsideBounds(x, y)) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    @Override
    public void unSelect() {
        super.unSelect();
        for (Shape child : children) {
            child.unSelect();
        }
    }

    public boolean selectChildAt(int x, int y) {
        for (Shape child : children) {
            if (child.isInsideBounds(x, y)) {
                child.select();
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    @Override
    public void paint(Graphics graphics) {
        if (isSelected()) {
            enableSelectionStyle(graphics);
            graphics.drawRect(getX() - 1, getY() - 1, getWidth() + 1, getHeight() + 1);
            disableSelectionStyle(graphics);
        }

        for (refactoring_guru.composite.example.shapes.Shape child : children) {
            child.paint(graphics);
        }
    }
}

editor

editor/ImageEditor.java: 形状编辑器

import javax.swing.*;
import javax.swing.border.Border;
import java.awt.*;
import java.awt.event.MouseAdapter;
import java.awt.event.MouseEvent;

public class ImageEditor {
    private EditorCanvas canvas;
    private CompoundShape allShapes = new CompoundShape();

    public ImageEditor() {
        canvas = new EditorCanvas();
    }

    public void loadShapes(Shape... shapes) {
        allShapes.clear();
        allShapes.add(shapes);
        canvas.refresh();
    }

    private class EditorCanvas extends Canvas {
        JFrame frame;

        private static final int PADDING = 10;

        EditorCanvas() {
            createFrame();
            refresh();
            addMouseListener(new MouseAdapter() {
                @Override
                public void mousePressed(MouseEvent e) {
                    allShapes.unSelect();
                    allShapes.selectChildAt(e.getX(), e.getY());
                    e.getComponent().repaint();
                }
            });
        }

        void createFrame() {
            frame = new JFrame();
            frame.setDefaultCloseOperation(WindowConstants.EXIT_ON_CLOSE);
            frame.setLocationRelativeTo(null);

            JPanel contentPanel = new JPanel();
            Border padding = BorderFactory.createEmptyBorder(PADDING, PADDING, PADDING, PADDING);
            contentPanel.setBorder(padding);
            frame.setContentPane(contentPanel);

            frame.add(this);
            frame.setVisible(true);
            frame.getContentPane().setBackground(Color.LIGHT_GRAY);
        }

        public int getWidth() {
            return allShapes.getX() + allShapes.getWidth() + PADDING;
        }

        public int getHeight() {
            return allShapes.getY() + allShapes.getHeight() + PADDING;
        }

        void refresh() {
            this.setSize(getWidth(), getHeight());
            frame.pack();
        }

        public void paint(Graphics graphics) {
            allShapes.paint(graphics);
        }
    }
}

Demo.java: 客户端代码

import java.awt.*;

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        ImageEditor editor = new ImageEditor();

        editor.loadShapes(
                new Circle(10, 10, 10, Color.BLUE),

                new CompoundShape(
                    new Circle(110, 110, 50, Color.RED),
                    new Dot(160, 160, Color.RED)
                ),

                new CompoundShape(
                        new Rectangle(250, 250, 100, 100, Color.GREEN),
                        new Dot(240, 240, Color.GREEN),
                        new Dot(240, 360, Color.GREEN),
                        new Dot(360, 360, Color.GREEN),
                        new Dot(360, 240, Color.GREEN)
                )
        );
    }
}

与其他模式的关系

  • 桥接模式状态模式策略模式 (在某种程度上包括适配器模式) 模式的接口非常相似。 实际上, 它们都基于组合模式——即将工作委派给其他对象, 不过也各自解决了不同的问题。 模式并不只是以特定方式组织代码的配方, 你还可以使用它们来和其他开发者讨论模式所解决的问题。

  • 你可以在创建复杂组合树时使用生成器模式, 因为这可使其构造步骤以递归的方式运行。

  • 责任链模式通常和组合模式结合使用。 在这种情况下, 叶组件接收到请求后, 可以将请求沿包含全体父组件的链一直传递至对象树的底部。

  • 你可以使用迭代器模式来遍历组合树。

  • 你可以使用访问者模式对整个组合树执行操作。

  • 你可以使用享元模式实现组合树的共享叶节点以节省内存。

  • 组合装饰模式的结构图很相似, 因为两者都依赖递归组合来组织无限数量的对象。

    装饰类似于组合, 但其只有一个子组件。 此外还有一个明显不同: 装饰为被封装对象添加了额外的职责, 组合仅对其子节点的结果进行了 “求和”。

    但是, 模式也可以相互合作: 你可以使用装饰来扩展组合树中特定对象的行为。

  • 大量使用组合装饰的设计通常可从对于原型模式的使用中获益。 你可以通过该模式来复制复杂结构, 而非从零开始重新构造。

Decorator

装饰模式是一种结构型设计模式, 允许你通过将对象放入包含行为的特殊封装对象中来为原对象绑定新的行为。

背景

适用场景

如果你希望在无需修改代码的情况下即可使用对象, 且希望在运行时为对象新增额外的行为, 可以使用装饰模式。

  • 装饰能将业务逻辑组织为层次结构, 你可为各层创建一个装饰, 在运行时将各种不同逻辑组合成对象。 由于这些对象都遵循通用接口, 客户端代码能以相同的方式使用这些对象。

如果用继承来扩展对象行为的方案难以实现或者根本不可行, 你可以使用该模式。

  • 许多编程语言使用 final最终关键字来限制对某个类的进一步扩展。 复用最终类已有行为的唯一方法是使用装饰模式: 用封装器对其进行封装。

实例-实现

使用示例: 装饰在 Java 代码中可谓是标准配置, 尤其是在与流式加载相关的代码中。

Java 核心程序库中有一些关于装饰的示例:

识别方法: 装饰可通过以当前类或对象为参数的创建方法或构造函数来识别。

编码和压缩装饰

本例展示了如何在不更改对象代码的情况下调整其行为。

最初的业务逻辑类仅能读取和写入纯文本的数据。 此后, 我们创建了几个小的封装器类, 以便在执行标准操作后添加新的行为。

第一个封装器负责加密和解密数据, 而第二个则负责压缩和解压数据。

你甚至可以让这些封装器嵌套封装以将它们组合起来。

decorators

decorators/DataSource.java: 定义了读取和写入操作的通用数据接口

public interface DataSource {
    void writeData(String data);

    String readData();
}

decorators/FileDataSource.java: 简单数据读写器

import java.io.*;

public class FileDataSource implements DataSource {
    private String name;

    public FileDataSource(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void writeData(String data) {
        File file = new File(name);
        try (OutputStream fos = new FileOutputStream(file)) {
            fos.write(data.getBytes(), 0, data.length());
        } catch (IOException ex) {
            System.out.println(ex.getMessage());
        }
    }

    @Override
    public String readData() {
        char[] buffer = null;
        File file = new File(name);
        try (FileReader reader = new FileReader(file)) {
            buffer = new char[(int) file.length()];
            reader.read(buffer);
        } catch (IOException ex) {
            System.out.println(ex.getMessage());
        }
        return new String(buffer);
    }
}

decorators/DataSourceDecorator.java: 抽象基础装饰

public class DataSourceDecorator implements DataSource {
    private DataSource wrappee;

    DataSourceDecorator(DataSource source) {
        this.wrappee = source;
    }

    @Override
    public void writeData(String data) {
        wrappee.writeData(data);
    }

    @Override
    public String readData() {
        return wrappee.readData();
    }
}

decorators/EncryptionDecorator.java: 加密装饰

import java.util.Base64;

public class EncryptionDecorator extends DataSourceDecorator {

    public EncryptionDecorator(DataSource source) {
        super(source);
    }

    @Override
    public void writeData(String data) {
        super.writeData(encode(data));
    }

    @Override
    public String readData() {
        return decode(super.readData());
    }

    private String encode(String data) {
        byte[] result = data.getBytes();
        for (int i = 0; i < result.length; i++) {
            result[i] += (byte) 1;
        }
        return Base64.getEncoder().encodeToString(result);
    }

    private String decode(String data) {
        byte[] result = Base64.getDecoder().decode(data);
        for (int i = 0; i < result.length; i++) {
            result[i] -= (byte) 1;
        }
        return new String(result);
    }
}

decorators/CompressionDecorator.java: 压缩装饰

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.util.Base64;
import java.util.zip.Deflater;
import java.util.zip.DeflaterOutputStream;
import java.util.zip.InflaterInputStream;

public class CompressionDecorator extends DataSourceDecorator {
    private int compLevel = 6;

    public CompressionDecorator(DataSource source) {
        super(source);
    }

    public int getCompressionLevel() {
        return compLevel;
    }

    public void setCompressionLevel(int value) {
        compLevel = value;
    }

    @Override
    public void writeData(String data) {
        super.writeData(compress(data));
    }

    @Override
    public String readData() {
        return decompress(super.readData());
    }

    private String compress(String stringData) {
        byte[] data = stringData.getBytes();
        try {
            ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream(512);
            DeflaterOutputStream dos = new DeflaterOutputStream(bout, new Deflater(compLevel));
            dos.write(data);
            dos.close();
            bout.close();
            return Base64.getEncoder().encodeToString(bout.toByteArray());
        } catch (IOException ex) {
            return null;
        }
    }

    private String decompress(String stringData) {
        byte[] data = Base64.getDecoder().decode(stringData);
        try {
            InputStream in = new ByteArrayInputStream(data);
            InflaterInputStream iin = new InflaterInputStream(in);
            ByteArrayOutputStream bout = new ByteArrayOutputStream(512);
            int b;
            while ((b = iin.read()) != -1) {
                bout.write(b);
            }
            in.close();
            iin.close();
            bout.close();
            return new String(bout.toByteArray());
        } catch (IOException ex) {
            return null;
        }
    }
}

Demo.java: 客户端代码

package refactoring_guru.decorator.example;

import refactoring_guru.decorator.example.decorators.*;

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        String salaryRecords = "Name,Salary\nJohn Smith,100000\nSteven Jobs,912000";
        DataSourceDecorator encoded = new CompressionDecorator(
                                         new EncryptionDecorator(
                                             new FileDataSource("out/OutputDemo.txt")));
        encoded.writeData(salaryRecords);
        DataSource plain = new FileDataSource("out/OutputDemo.txt");

        System.out.println("- Input ----------------");
        System.out.println(salaryRecords);
        System.out.println("- Encoded --------------");
        System.out.println(plain.readData());
        System.out.println("- Decoded --------------");
        System.out.println(encoded.readData());
    }
}

与其他模式的关系

  • 适配器模式可以对已有对象的接口进行修改, 装饰模式则能在不改变对象接口的前提下强化对象功能。 此外, 装饰 还支持递归组合, 适配器 则无法实现。

  • 适配器能为被封装对象提供不同的接口, 代理模式能为对象提供相同的接口, 装饰则能为对象提供加强的接口。

  • 责任链模式装饰模式的类结构非常相似。 两者都依赖递归组合将需要执行的操作传递给一系列对象。 但是, 两者有几点重要的不同之处。

    责任链的管理者可以相互独立地执行一切操作, 还可以随时停止传递请求。 另一方面, 各种装饰 可以在遵循基本接口的情况下扩展对象的行为。 此外, 装饰无法中断请求的传递。

  • 组合模式装饰的结构图很相似, 因为两者都依赖递归组合来组织无限数量的对象。

    装饰类似于组合, 但其只有一个子组件。 此外还有一个明显不同: 装饰为被封装对象添加了额外的职责, 组合仅对其子节点的结果进行了 “求和”。

    但是, 模式也可以相互合作: 你可以使用装饰来扩展组合树中特定对象的行为。

  • 大量使用组合装饰的设计通常可从对于原型模式的使用中获益。 你可以通过该模式来复制复杂结构, 而非从零开始重新构造。

  • 装饰可让你更改对象的外表, 策略模式则让你能够改变其本质。

  • 装饰代理有着相似的结构, 但是其意图却非常不同。 这两个模式的构建都基于组合原则, 也就是说一个对象应该将部分工作委派给另一个对象。 两者之间的不同之处在于代理 通常自行管理其服务对象的生命周期, 而装饰 的生成则总是由客户端进行控制。

Facade

背景

外观模式是一种结构型设计模式, 能为程序库、 框架或其他复杂类提供一个简单的接口。

问题:

假设你必须在代码中使用某个复杂的库或框架中的众多对象。 正常情况下, 你需要负责所有对象的初始化工作、 管理其依赖关系并按正确的顺序执行方法等。

最终, 程序中类的业务逻辑将与第三方类的实现细节紧密耦合, 使得理解和维护代码的工作很难进行。

解决:

外观类为包含许多活动部件的复杂子系统提供一个简单的接口。 与直接调用子系统相比, 外观提供的功能可能比较有限, 但它却包含了客户端真正关心的功能。

如果你的程序需要与包含几十种功能的复杂库整合, 但只需使用其中非常少的功能, 那么使用外观模式会非常方便,

例如, 上传猫咪搞笑短视频到社交媒体网站的应用可能会用到专业的视频转换库, 但它只需使用一个包含 encode­(filename, format)方法 (以文件名与文件格式为参数进行编码的方法) 的类即可。 在创建这个类并将其连接到视频转换库后, 你就拥有了自己的第一个外观。

与真实世界的类比:

你通过手机网购时, 该商店的所有服务和部门的外观。 程序员为你提供了一个同购物系统、 支付网关和各种送货服务进行互动的简单语音接口。

使用场景

如果你需要一个指向复杂子系统的直接接口, 且该接口的功能有限, 则可以使用外观模式。

  • 子系统通常会随着时间的推进变得越来越复杂。 即便是应用了设计模式, 通常你也会创建更多的类。 尽管在多种情形中子系统可能是更灵活或易于复用的, 但其所需的配置和样板代码数量将会增长得更快。 为了解决这个问题, 外观将会提供指向子系统中最常用功能的快捷方式, 能够满足客户端的大部分需求。

如果需要将子系统组织为多层结构, 可以使用外观。

  • 创建外观来定义子系统中各层次的入口。 你可以要求子系统仅使用外观来进行交互, 以减少子系统之间的耦合。

让我们回到视频转换框架的例子。 该框架可以拆分为两个层次: 音频相关和视频相关。 你可以为每个层次创建一个外观, 然后要求各层的类必须通过这些外观进行交互。 这种方式看上去与中介者模式非常相似。

实例-实现

下面是一些核心 Java 程序库中的外观示例:

识别方法: 外观可以通过使用简单接口, 但将绝大部分工作委派给其他类的类来识别。 通常情况下, 外观管理着其所使用的对象的完整生命周期。

复杂视频转换库的简单接口

some_complex_media_library/VideoFile.java

public class VideoFile {
    private String name;
    private String codecType;

    public VideoFile(String name) {
        this.name = name;
        this.codecType = name.substring(name.indexOf(".") + 1);
    }

    public String getCodecType() {
        return codecType;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

some_complex_media_library/Codec.java

public interface Codec {
}

some_complex_media_library/MPEG4CompressionCodec.java

public class MPEG4CompressionCodec implements Codec {
    public String type = "mp4";

}

some_complex_media_library/OggCompressionCodec.java

public class OggCompressionCodec implements Codec {
    public String type = "ogg";
}

some_complex_media_library/CodecFactory.java

public class CodecFactory {
    public static Codec extract(VideoFile file) {
        String type = file.getCodecType();
        if (type.equals("mp4")) {
            System.out.println("CodecFactory: extracting mpeg audio...");
            return new MPEG4CompressionCodec();
        }
        else {
            System.out.println("CodecFactory: extracting ogg audio...");
            return new OggCompressionCodec();
        }
    }
}

some_complex_media_library/BitrateReader.java

public class BitrateReader {
    public static VideoFile read(VideoFile file, Codec codec) {
        System.out.println("BitrateReader: reading file...");
        return file;
    }

    public static VideoFile convert(VideoFile buffer, Codec codec) {
        System.out.println("BitrateReader: writing file...");
        return buffer;
    }
}

some_complex_media_library/AudioMixer.java

import java.io.File;

public class AudioMixer {
    public File fix(VideoFile result){
        System.out.println("AudioMixer: fixing audio...");
        return new File("tmp");
    }
}

facade

facade/VideoConversionFacade.java: 外观提供了进行视频转换的简单接口

import java.io.File;

public class VideoConversionFacade {
    public File convertVideo(String fileName, String format) {
        System.out.println("VideoConversionFacade: conversion started.");
        VideoFile file = new VideoFile(fileName);
        Codec sourceCodec = CodecFactory.extract(file);
        Codec destinationCodec;
        if (format.equals("mp4")) {
            destinationCodec = new OggCompressionCodec();
        } else {
            destinationCodec = new MPEG4CompressionCodec();
        }
        VideoFile buffer = BitrateReader.read(file, sourceCodec);
        VideoFile intermediateResult = BitrateReader.convert(buffer, destinationCodec);
        File result = (new AudioMixer()).fix(intermediateResult);
        System.out.println("VideoConversionFacade: conversion completed.");
        return result;
    }
}

Demo.java: 客户端代码

import java.io.File;

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        VideoConversionFacade converter = new VideoConversionFacade();
        File mp4Video = converter.convertVideo("youtubevideo.ogg", "mp4");
        // ...
    }
}

与其他模式的关系

  • 外观模式为现有对象定义了一个新接口, 适配器模式则会试图运用已有的接口。 适配器 通常只封装一个对象, 外观 通常会作用于整个对象子系统上。
  • 当只需对客户端代码隐藏子系统创建对象的方式时, 你可以使用抽象工厂模式来代替外观
  • 享元模式展示了如何生成大量的小型对象, 外观则展示了如何用一个对象来代表整个子系统。
  • 外观中介者模式的职责类似: 它们都尝试在大量紧密耦合的类中组织起合作。
    • 外观 为子系统中的所有对象定义了一个简单接口, 但是它不提供任何新功能。 子系统本身不会意识到外观的存在。 子系统中的对象可以直接进行交流。
    • 中介者 将系统中组件的沟通行为中心化。 各组件只知道中介者对象, 无法直接相互交流。
  • 外观类通常可以转换为单例模式类, 因为在大部分情况下一个外观对象就足够了。
  • 外观代理模式的相似之处在于它们都缓存了一个复杂实体并自行对其进行初始化。 代理 与其服务对象遵循同一接口, 使得自己和服务对象可以互换, 在这一点上它与外观 不同。

Flyweight

背景

享元模式是一种结构型设计模式, 它摒弃了在每个对象中保存所有数据的方式, 通过共享多个对象所共有的相同状态, 让你能在有限的内存容量中载入更多对象。

享元模式通过共享多个对象的部分状态来实现上述功能。 换句话来说, 享元会将不同对象的相同数据进行缓存以节省内存。

问题

开发了一款简单的游戏: 玩家们在地图上移动并相互射击。 你决定实现一个真实的粒子系统, 并将其作为游戏的特色。 大量的子弹、 导弹和爆炸弹片会在整个地图上穿行, 为玩家提供紧张刺激的游戏体验。

游戏总是会在他的电脑上运行几分钟后崩溃。 在研究了几个小时的调试消息记录后, 你发现导致游戏崩溃的原因是内存容量不足。 真正的问题与粒子系统有关。 每个粒子 (一颗子弹、 一枚导弹或一块弹片) 都由包含完整数据的独立对象来表示。 当玩家在游戏中鏖战进入高潮后的某一时刻, 游戏将无法在剩余内存中载入新建粒子, 于是程序就崩溃了。

解决方案

每个粒子的只有一些状态,例如: (坐标、 移动矢量和速度) 是不同的。

对象的常量数据通常被称为内在状态, 其位于对象中, 其他对象只能读取但不能修改其数值。 而对象的其他状态常常能被其他对象 “从外部” 改变, 因此被称为外在状态

享元模式建议不在对象中存储外在状态, 而是将其传递给依赖于它的一个特殊方法。 程序只在对象中保存内在状态, 以方便在不同情景下重用。 这些对象的区别仅在于其内在状态 (与外在状态相比, 内在状态的变体要少很多), 因此你所需的对象数量会大大削减。

外在状态存储

为了能将外在状态移动到这个类中, 你需要创建多个数组成员变量来存储每个粒子的坐标、 方向矢量和速度。 除此之外, 你还需要另一个数组来存储指向代表粒子的特定享元的引用。 这些数组必须保持同步, 这样你才能够使用同一索引来获取关于某个粒子的所有数据。

更优雅的解决方案是创建独立的情景类来存储外在状态和对享元对象的引用。 在该方法中, 容器类只需包含一个数组。

这样的话情景对象数量不是会和不采用该模式时的对象数量一样多吗? 的确如此, 但这些对象要比之前小很多。 消耗内存最多的成员变量已经被移动到很少的几个享元对象中了。 现在, 一个享元大对象会被上千个情境小对象复用, 因此无需再重复存储数千个大对象的数据。

享元与不可变性

由于享元对象可在不同的情景中使用, 你必须确保其状态不能被修改。 享元类的状态只能由构造函数的参数进行一次性初始化, 它不能对其他对象公开其设置器或公有成员变量。

享元工厂

为了能更方便地访问各种享元, 你可以创建一个工厂方法来管理已有享元对象的缓存池。 工厂方法从客户端处接收目标享元对象的内在状态作为参数, 如果它能在缓存池中找到所需享元, 则将其返回给客户端; 如果没有找到, 它就会新建一个享元, 并将其添加到缓存池中。

你可以选择在程序的不同地方放入该函数。 最简单的选择就是将其放置在享元容器中。 除此之外, 你还可以新建一个工厂类, 或者创建一个静态的工厂方法并将其放入实际的享元类中。

使用场景

仅在程序必须支持大量对象且没有足够的内存容量时使用享元模式。

应用该模式所获的收益大小取决于使用它的方式和情景。 它在下列情况中最有效:

  • 程序需要生成数量巨大的相似对象
  • 这将耗尽目标设备的所有内存
  • 对象中包含可抽取且能在多个对象间共享的重复状态。

实例-实现

享元模式在核心 Java 程序库中的示例:

识别方法: 享元可以通过构建方法来识别, 它会返回缓存对象而不是创建新的对象。

渲染一片森林

本例中, 我们将渲染一片森林 (1,000,000 棵树)! 每棵树都由包含一些状态的对象来表示 (坐标和纹理等)。 尽管程序能够完成其主要工作, 但很显然它需要消耗大量内存。

原因很简单: 太多树对象包含重复数据 (名称、 纹理和颜色)。 因此我们可用享元模式来将这些数值存储在单独的享元对象中 ( Tree­Type类)。 现在我们不再将相同数据存储在数千个 Tree对象中, 而是使用一组特殊的数值来引用其中一个享元对象。

客户端代码不会知道任何事情, 因为重用享元对象的复杂机制隐藏在了享元工厂中。

trees

trees/Tree.java: 包含每棵树的独特状态

import java.awt.*;

public class Tree {
    private int x;
    private int y;
    private TreeType type;

    public Tree(int x, int y, TreeType type) {
        this.x = x;
        this.y = y;
        this.type = type;
    }

    public void draw(Graphics g) {
        type.draw(g, x, y);
    }
}

trees/TreeType.java: 包含多棵树共享的状态

import java.awt.*;

public class TreeType {
    private String name;
    private Color color;
    private String otherTreeData;

    public TreeType(String name, Color color, String otherTreeData) {
        this.name = name;
        this.color = color;
        this.otherTreeData = otherTreeData;
    }

    public void draw(Graphics g, int x, int y) {
        g.setColor(Color.BLACK);
        g.fillRect(x - 1, y, 3, 5);
        g.setColor(color);
        g.fillOval(x - 5, y - 10, 10, 10);
    }
}

trees/TreeFactory.java: 封装创建享元的复杂机制

import java.awt.*;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class TreeFactory {
    static Map<String, TreeType> treeTypes = new HashMap<>();

    public static TreeType getTreeType(String name, Color color, String otherTreeData) {
        TreeType result = treeTypes.get(name);
        if (result == null) {
            result = new TreeType(name, color, otherTreeData);
            treeTypes.put(name, result);
        }
        return result;
    }
}

forest

forest/Forest.java: 我们绘制的森林

import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Forest extends JFrame {
    private List<Tree> trees = new ArrayList<>();

    public void plantTree(int x, int y, String name, Color color, String otherTreeData) {
        TreeType type = TreeFactory.getTreeType(name, color, otherTreeData);
        Tree tree = new Tree(x, y, type);
        trees.add(tree);
    }

    @Override
    public void paint(Graphics graphics) {
        for (Tree tree : trees) {
            tree.draw(graphics);
        }
    }
}

Demo.java: 客户端代码

import refactoring_guru.flyweight.example.forest.Forest;

import java.awt.*;

public class Demo {
    static int CANVAS_SIZE = 500;
    static int TREES_TO_DRAW = 1000000;
    static int TREE_TYPES = 2;

    public static void main(String[] args) {
        Forest forest = new Forest();
        for (int i = 0; i < Math.floor(TREES_TO_DRAW / TREE_TYPES); i++) {
            forest.plantTree(random(0, CANVAS_SIZE), random(0, CANVAS_SIZE),
                    "Summer Oak", Color.GREEN, "Oak texture stub");
            forest.plantTree(random(0, CANVAS_SIZE), random(0, CANVAS_SIZE),
                    "Autumn Oak", Color.ORANGE, "Autumn Oak texture stub");
        }
        forest.setSize(CANVAS_SIZE, CANVAS_SIZE);
        forest.setVisible(true);

        System.out.println(TREES_TO_DRAW + " trees drawn");
        System.out.println("---------------------");
        System.out.println("Memory usage:");
        System.out.println("Tree size (8 bytes) * " + TREES_TO_DRAW);
        System.out.println("+ TreeTypes size (~30 bytes) * " + TREE_TYPES + "");
        System.out.println("---------------------");
        System.out.println("Total: " + ((TREES_TO_DRAW * 8 + TREE_TYPES * 30) / 1024 / 1024) +
                "MB (instead of " + ((TREES_TO_DRAW * 38) / 1024 / 1024) + "MB)");
    }

    private static int random(int min, int max) {
        return min + (int) (Math.random() * ((max - min) + 1));
    }
}

与其他模式的关系

  • 你可以使用享元模式实现组合模式树的共享叶节点以节省内存。
  • 享元展示了如何生成大量的小型对象, 外观模式则展示了如何用一个对象来代表整个子系统。
  • 如果你能将对象的所有共享状态简化为一个享元对象, 那么享元就和单例模式类似了。 但这两个模式有两个根本性的不同。
    1. 只会有一个单例实体, 但是享元类可以有多个实体, 各实体的内在状态也可以不同。
    2. 单例 对象可以是可变的。 享元对象是不可变的。

Proxy

背景

代理模式是一种结构型设计模式, 让你能够提供对象的替代品或其占位符。 代理控制着对于原对象的访问, 并允许在将请求提交给对象前后进行一些处理。

代理是一种结构型设计模式, 让你能提供真实服务对象的替代品给客户端使用。 代理接收客户端的请求并进行一些处理 (访问控制和缓存等), 然后再将请求传递给服务对象。

代理对象拥有和服务对象相同的接口, 这使得当其被传递给客户端时可与真实对象互换。

于真实世界类比

信用卡是银行账户的代理, 银行账户则是一大捆现金的代理。

它们都实现了同样的接口, 均可用于进行支付。 消费者会非常满意, 因为不必随身携带大量现金; 商店老板同样会十分高兴, 因为交易收入能以电子化的方式进入商店的银行账户中, 无需担心存款时出现现金丢失或被抢劫的情况。

使用场景

延迟初始化 (虚拟代理)。 如果你有一个偶尔使用的重量级服务对象, 一直保持该对象运行会消耗系统资源时, 可使用代理模式。

  • 你无需在程序启动时就创建该对象, 可将对象的初始化延迟到真正有需要的时候。

访问控制 (保护代理)。 如果你只希望特定客户端使用服务对象, 这里的对象可以是操作系统中非常重要的部分, 而客户端则是各种已启动的程序 (包括恶意程序), 此时可使用代理模式。

  • 代理可仅在客户端凭据满足要求时将请求传递给服务对象。

本地执行远程服务 (远程代理)。 适用于服务对象位于远程服务器上的情形。

  • 这种情形中, 代理通过网络传递客户端请求, 负责处理所有与网络相关的复杂细节。

记录日志请求 (日志记录代理)。 适用于当你需要保存对于服务对象的请求历史记录时。 代理可以在向服务传递请求前进行记录。

缓存请求结果 (缓存代理)。 适用于需要缓存客户请求结果并对缓存生命周期进行管理时, 特别是当返回结果的体积非常大时。

  • 代理可对重复请求所需的相同结果进行缓存, 还可使用请求参数作为索引缓存的键值。

实例-实现

使用示例: 尽管代理模式在绝大多数 Java 程序中并不常见, 但它在一些特殊情况下仍然非常方便。 当你希望在无需修改客户代码的前提下于已有类的对象上增加额外行为时, 该模式是无可替代的。

Java 标准程序库中的一些代理模式的示例:

识别方法: 代理模式会将所有实际工作委派给一些其他对象。 除非代理是某个服务的子类, 否则每个代理方法最后都应该引用一个服务对象。

缓存代理

在本例中, 代理模式有助于实现延迟初始化, 并对低效的第三方 YouTube 集成程序库进行缓存。

当你需要在无法修改代码的类上新增一些额外行为时, 代理模式的价值无可估量。

some_cool_media_library

some_cool_media_library/ThirdPartyYouTubeLib.java: 远程服务接口

import java.util.HashMap;

public interface ThirdPartyYouTubeLib {
    HashMap<String, Video> popularVideos();

    Video getVideo(String videoId);
}

some_cool_media_library/ThirdPartyYouTubeClass.java: 远程服务实现

import java.util.HashMap;

public class ThirdPartyYouTubeClass implements ThirdPartyYouTubeLib {

    @Override
    public HashMap<String, Video> popularVideos() {
        connectToServer("http://www.youtube.com");
        return getRandomVideos();
    }

    @Override
    public Video getVideo(String videoId) {
        connectToServer("http://www.youtube.com/" + videoId);
        return getSomeVideo(videoId);
    }

    // -----------------------------------------------------------------------
    // Fake methods to simulate network activity. They as slow as a real life.

    private int random(int min, int max) {
        return min + (int) (Math.random() * ((max - min) + 1));
    }

    private void experienceNetworkLatency() {
        int randomLatency = random(5, 10);
        for (int i = 0; i < randomLatency; i++) {
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void connectToServer(String server) {
        System.out.print("Connecting to " + server + "... ");
        experienceNetworkLatency();
        System.out.print("Connected!" + "\n");
    }

    private HashMap<String, Video> getRandomVideos() {
        System.out.print("Downloading populars... ");

        experienceNetworkLatency();
        HashMap<String, Video> hmap = new HashMap<String, Video>();
        hmap.put("catzzzzzzzzz", new Video("sadgahasgdas", "Catzzzz.avi"));
        hmap.put("mkafksangasj", new Video("mkafksangasj", "Dog play with ball.mp4"));
        hmap.put("dancesvideoo", new Video("asdfas3ffasd", "Dancing video.mpq"));
        hmap.put("dlsdk5jfslaf", new Video("dlsdk5jfslaf", "Barcelona vs RealM.mov"));
        hmap.put("3sdfgsd1j333", new Video("3sdfgsd1j333", "Programing lesson#1.avi"));

        System.out.print("Done!" + "\n");
        return hmap;
    }

    private Video getSomeVideo(String videoId) {
        System.out.print("Downloading video... ");

        experienceNetworkLatency();
        Video video = new Video(videoId, "Some video title");

        System.out.print("Done!" + "\n");
        return video;
    }

}

some_cool_media_library/Video.java: 视频文件

public class Video {
    public String id;
    public String title;
    public String data;

    Video(String id, String title) {
        this.id = id;
        this.title = title;
        this.data = "Random video.";
    }
}

proxy

proxy/YouTubeCacheProxy.java: 缓存代理

import java.util.HashMap;

public class YouTubeCacheProxy implements ThirdPartyYouTubeLib {
    private ThirdPartyYouTubeLib youtubeService;
    private HashMap<String, Video> cachePopular = new HashMap<String, Video>();
    private HashMap<String, Video> cacheAll = new HashMap<String, Video>();

    public YouTubeCacheProxy() {
        this.youtubeService = new ThirdPartyYouTubeClass();
    }

    @Override
    public HashMap<String, Video> popularVideos() {
        if (cachePopular.isEmpty()) {
            cachePopular = youtubeService.popularVideos();
        } else {
            System.out.println("Retrieved list from cache.");
        }
        return cachePopular;
    }

    @Override
    public Video getVideo(String videoId) {
        Video video = cacheAll.get(videoId);
        if (video == null) {
            video = youtubeService.getVideo(videoId);
            cacheAll.put(videoId, video);
        } else {
            System.out.println("Retrieved video '" + videoId + "' from cache.");
        }
        return video;
    }

    public void reset() {
        cachePopular.clear();
        cacheAll.clear();
    }
}

downloader

downloader/YouTubeDownloader.java: 媒体下载应用

import java.util.HashMap;

public class YouTubeDownloader {
    private ThirdPartyYouTubeLib api;

    public YouTubeDownloader(ThirdPartyYouTubeLib api) {
        this.api = api;
    }

    public void renderVideoPage(String videoId) {
        Video video = api.getVideo(videoId);
        System.out.println("\n-------------------------------");
        System.out.println("Video page (imagine fancy HTML)");
        System.out.println("ID: " + video.id);
        System.out.println("Title: " + video.title);
        System.out.println("Video: " + video.data);
        System.out.println("-------------------------------\n");
    }

    public void renderPopularVideos() {
        HashMap<String, Video> list = api.popularVideos();
        System.out.println("\n-------------------------------");
        System.out.println("Most popular videos on YouTube (imagine fancy HTML)");
        for (Video video : list.values()) {
            System.out.println("ID: " + video.id + " / Title: " + video.title);
        }
        System.out.println("-------------------------------\n");
    }
}

Demo.java: 初始化代码

public class Demo {

    public static void main(String[] args) {
        YouTubeDownloader naiveDownloader = new YouTubeDownloader(new ThirdPartyYouTubeClass());
        YouTubeDownloader smartDownloader = new YouTubeDownloader(new YouTubeCacheProxy());

        long naive = test(naiveDownloader);
        long smart = test(smartDownloader);
        System.out.print("Time saved by caching proxy: " + (naive - smart) + "ms");

    }

    private static long test(YouTubeDownloader downloader) {
        long startTime = System.currentTimeMillis();

        // User behavior in our app:
        downloader.renderPopularVideos();
        downloader.renderVideoPage("catzzzzzzzzz");
        downloader.renderPopularVideos();
        downloader.renderVideoPage("dancesvideoo");
        // Users might visit the same page quite often.
        downloader.renderVideoPage("catzzzzzzzzz");
        downloader.renderVideoPage("someothervid");

        long estimatedTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
        System.out.print("Time elapsed: " + estimatedTime + "ms\n");
        return estimatedTime;
    }
}

与其他模式的关系

  • 适配器模式能为被封装对象提供不同的接口, 代理模式能为对象提供相同的接口, 装饰模式则能为对象提供加强的接口。
  • 外观模式代理的相似之处在于它们都缓存了一个复杂实体并自行对其进行初始化。 代理 与其服务对象遵循同一接口, 使得自己和服务对象可以互换, 在这一点上它与外观 不同。
  • 装饰代理有着相似的结构, 但是其意图却非常不同。 这两个模式的构建都基于组合原则, 也就是说一个对象应该将部分工作委派给另一个对象。 两者之间的不同之处在于代理通常自行管理其服务对象的生命周期, 而装饰的生成则总是由客户端进行控制。

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  • 本文作者: ML李嘉图
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