第14讲 | 谈谈你知道的设计模式？

设计模式是人们为软件开发中相同表征的问题，抽象出的可重复利用的解决方案。在某种程度上，设计模式已经代表了一些特定情况的最佳实践，同时也起到了软件工程师之间沟通的“行话”的作用。理解和掌握典型的设计模式，有利于我们提高沟通、设计的效率和质量。

今天我要问你的问题是，谈谈你知道的设计模式？请手动实现单例模式，Spring等框架中使用了哪些模式？

典型回答

大致按照模式的应用目标分类，设计模式可以分为创建型模式、结构型模式和行为型模式。

创建型模式，是对对象创建过程的各种问题和解决方案的总结，包括各种工厂模式（Factory、Abstract Factory）、单例模式（Singleton）、构建器模式（Builder）、原型模式（ProtoType）。
结构型模式，是针对软件设计结构的总结，关注于类、对象继承、组合方式的实践经验。常见的结构型模式，包括桥接模式（Bridge）、适配器模式（Adapter）、装饰者模式（Decorator）、代理模式（Proxy）、组合模式（Composite）、外观模式（Facade）、享元模式（Flyweight）等。
行为型模式，是从类或对象之间交互、职责划分等角度总结的模式。比较常见的行为型模式有策略模式（Strategy）、解释器模式（Interpreter）、命令模式（Command）、观察者模式（Observer）、迭代器模式（Iterator）、模板方法模式（Template Method）、访问者模式（Visitor）。

考点分析

这个问题主要是考察你对设计模式的了解和掌握程度，更多相关内容你可以参考：https://en.wikipedia.org/wiki/Design_Patterns。

我建议可以在回答时适当地举些例子，更加清晰地说明典型模式到底是什么样子，典型使用场景是怎样的。这里举个Java基础类库中的例子供你参考。

首先，专栏第11讲刚介绍过IO框架，我们知道InputStream是一个抽象类，标准类库中提供了FileInputStream、ByteArrayInputStream等各种不同的子类，分别从不同角度对InputStream进行了功能扩展，这是典型的装饰器模式应用案例。

识别装饰器模式，可以通过识别类设计特征来进行判断，也就是其类构造函数以相同的抽象类或者接口为输入参数。

因为装饰器模式本质上是包装同类型实例，我们对目标对象的调用，往往会通过包装类覆盖过的方法，迂回调用被包装的实例，这就可以很自然地实现增加额外逻辑的目的，也就是所谓的“装饰”。

例如，BufferedInputStream经过包装，为输入流过程增加缓存，类似这种装饰器还可以多次嵌套，不断地增加不同层次的功能。

public BufferedInputStream(InputStream in)

我在下面的类图里，简单总结了InputStream的装饰模式实践。

接下来再看第二个例子。创建型模式尤其是工厂模式，在我们的代码中随处可见，我举个相对不同的API设计实践。比如，JDK最新版本中 HTTP/2 Client API，下面这个创建HttpRequest的过程，就是典型的构建器模式（Builder），通常会被实现成fluent风格的API，也有人叫它方法链。

HttpRequest request = HttpRequest.newBuilder(new URI(uri))
                         .header(headerAlice, valueAlice)
                         .headers(headerBob, value1Bob,
                          headerCarl, valueCarl,
                          headerBob, value2Bob)
                         .GET()
                         .build();

使用构建器模式，可以比较优雅地解决构建复杂对象的麻烦，这里的“复杂”是指类似需要输入的参数组合较多，如果用构造函数，我们往往需要为每一种可能的输入参数组合实现相应的构造函数，一系列复杂的构造函数会让代码阅读性和可维护性变得很差。

上面的分析也进一步反映了创建型模式的初衷，即，将对象创建过程单独抽象出来，从结构上把对象使用逻辑和创建逻辑相互独立，隐藏对象实例的细节，进而为使用者实现了更加规范、统一的逻辑。

更进一步进行设计模式考察，面试官可能会：

希望你写一个典型的设计模式实现。这虽然看似简单，但即使是最简单的单例，也能够综合考察代码基本功。
考察典型的设计模式使用，尤其是结合标准库或者主流开源框架，考察你对业界良好实践的掌握程度。

在面试时如果恰好问到你不熟悉的模式，你可以稍微引导一下，比如介绍你在产品中使用了什么自己相对熟悉的模式，试图解决什么问题，它们的优点和缺点等。

下面，我会针对前面两点，结合代码实例进行分析。

知识扩展

我们来实现一个日常非常熟悉的单例设计模式。看起来似乎很简单，那么下面这个样例符合基本需求吗？

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

是不是总感觉缺了点什么？原来，Java会自动为没有明确声明构造函数的类，定义一个public的无参数的构造函数，所以上面的例子并不能保证额外的对象不被创建出来，别人完全可以直接“new Singleton()”，那我们应该怎么处理呢？

不错，可以为单例定义一个private的构造函数（也有建议声明为枚举，这是有争议的，我个人不建议选择相对复杂的枚举，毕竟日常开发不是学术研究）。这样还有什么改进的余地吗？

专栏第10讲介绍ConcurrentHashMap时，提到过标准类库中很多地方使用懒加载（lazy-load），改善初始内存开销，单例同样适用，下面是修正后的改进版本。

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

这个实现在单线程环境不存在问题，但是如果处于并发场景，就需要考虑线程安全，最熟悉的就莫过于“双检锁”，其要点在于：

这里的volatile能够提供可见性，以及保证getInstance返回的是初始化完全的对象。
在同步之前进行null检查，以尽量避免进入相对昂贵的同步块。
- 直接在class级别进行同步，保证线程安全的类方法调用。

public class Singleton {
    	private static volatile Singleton singleton = null;
    	private Singleton() {
    	}
    
    	public static Singleton getSingleton() {
        	if (singleton == null) { // 尽量避免重复进入同步块
            	synchronized (Singleton.class) { // 同步.class，意味着对同步类方法调用
                	if (singleton == null) {
                    	singleton = new Singleton();
                	}
            	}
        	}
        	return singleton;
    	}
    }

在这段代码中，争论较多的是volatile修饰静态变量，当Singleton类本身有多个成员变量时，需要保证初始化过程完成后，才能被get到。

在现代Java中，内存排序模型（JMM）已经非常完善，通过volatile的write或者read，能保证所谓的happen-before，也就是避免常被提到的指令重排。换句话说，构造对象的store指令能够被保证一定在volatile read之前。

当然，也有一些人推荐利用内部类持有静态对象的方式实现，其理论依据是对象初始化过程中隐含的初始化锁（有兴趣的话你可以参考jls-12.4.2 中对LC的说明），这种和前面的双检锁实现都能保证线程安全，不过语法稍显晦涩，未必有特别的优势。

public class Singleton {
    	private Singleton(){}
    	public static Singleton getSingleton(){
        	return Holder.singleton;
    	}
    
    	private static class Holder {
        	private static Singleton singleton = new Singleton();
    	}
    }

所以，可以看出，即使是看似最简单的单例模式，在增加各种高标准需求之后，同样需要非常多的实现考量。

上面是比较学究的考察，其实实践中未必需要如此复杂，如果我们看Java核心类库自己的单例实现，比如java.lang.Runtime，你会发现：

它并没使用复杂的双检锁之类。
- 静态实例被声明为final，这是被通常实践忽略的，一定程度保证了实例不被篡改（专栏第6讲介绍过，反射之类可以绕过私有访问限制），也有有限的保证执行顺序的语义。

private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();
    private static Version version;
    // …
    public static Runtime getRuntime() {
    	return currentRuntime;
    }
    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}

前面说了不少代码实践，下面一起来简要看看主流开源框架，如Spring等如何在API设计中使用设计模式。你至少要有个大体的印象，如：

BeanFactory和ApplicationContext应用了工厂模式。
在Bean的创建中，Spring也为不同scope定义的对象，提供了单例和原型等模式实现。
我在专栏第6讲介绍的AOP领域则是使用了代理模式、装饰器模式、适配器模式等。
各种事件监听器，是观察者模式的典型应用。
类似JdbcTemplate等则是应用了模板模式。

今天，我与你回顾了设计模式的分类和主要类型，并从Java核心类库、开源框架等不同角度分析了其采用的模式，并结合单例的不同实现，分析了如何实现符合线程安全等需求的单例，希望可以对你的工程实践有所帮助。另外，我想最后补充的是，设计模式也不是银弹，要避免滥用或者过度设计。

一课一练

关于设计模式你做到心中有数了吗？你可以思考下，在业务代码中，经常发现大量XXFacade，外观模式是解决什么问题？适用于什么场景？

请你在留言区写写你对这个问题的思考，我会选出经过认真思考的留言，送给你一份学习鼓励金，欢迎你与我一起讨论。

大师兄

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