设计模式之结构型模式（适配器、桥接、组合、享元、装饰者、外观、代理）

文章目录

    • 一、结构型设计模式
    • 二、适配器模式
    • 三、桥接模式
    • 四、组合模式
    • 五、享元模式
    • 六、装饰者模式
    • 七、外观模式
    • 八、代理设计模式

一、结构型设计模式

这篇文章我们来讲解下结构型设计模式，结构型设计模式，主要处理类或对象的组合关系，为如何设计类以形成更大的结构提供指南。

结构型设计模式包括：适配器模式（Adapter Pattern）、桥接模式（Bridge Pattern）、组合模式（Composite Pattern）、装饰器模式（Decorator Pattern）、外观模式（Facade Pattern）、享元模式（Flyweight Pattern）、代理模式（Proxy Pattern）

二、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。它结合了两个独立接口的功能。
优点：

  1. 可以让任何两个没有关联的类一起运行。
  2. 提高了类的复用。
  3. 增加了类的透明度。
  4. 灵活性好。

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。举个真实的例子，在视频播放器中，假设视频播放器只能播放MP4格式的视频，那现在又有个VLC格式的视频，就不能播放了，那要如何解决这个问题？如果我们做个转换器，将VLC格式的视频转换为MP4格式的视频不就可以播放了吗，那这个转换器我们就可以采用适配器设计模式来设计。

下面使用程序演示下上面的例子：

  1. 定义视频接口
public interface VideoInterFace {
    String getVideoPath();
}
  1. 定时Mp4格式视频实例
public class Mp4Video implements VideoInterFace {
    @Override
    public String getVideoPath() {
        return "Mp4视频的路径";
    }
}
  1. 定义VLC格式视频实例
public class VlcVideo implements VideoInterFace{
    @Override
    public String getVideoPath() {
        return "Vlc视频的路径";
    }
}
  1. 定义播放器，只接口Mp4格式的视频
public class Player {
    private Mp4Video video;

    public Player(Mp4Video video) {
        this.video = video;
    }

    public void play() {
        System.out.println(StringFormatter.concat("播放视频视频地址：", video.getVideoPath()).getValue());
    }
}
  1. 需要播放VLC格式的视频，定义Mp4的适配器，并接收VLC格式视频，进行转码。
public class Mp4Adapter extends Mp4Video {

    private VlcVideo vlcVideo;

    public Mp4Adapter(VlcVideo vlcVideo) {
        this.vlcVideo = vlcVideo;
    }

    @Override
    public String getVideoPath() {
        System.out.println(StringFormatter.concat("开始格式转换，vlc地址：", vlcVideo.getVideoPath()).getValue());
        return "转换后的Mp4路径！";
    }
}
  1. 测试
public class demo {
    public static void main(String[] args) {
        Player player = new Player(new Mp4Video());
        player.play();

        VlcVideo vlcVideo = new VlcVideo();
        Player player1 = new Player(new Mp4Adapter(vlcVideo));
        player1.play();
    }
}

在这里插入图片描述

从上面的例子可以看出，需要播放VLC格式，就需要写一个目标适配器，这里是Mp4适配器，并继承Mp4，使之有Mp4的特性，并在内部做相应的转换即可，提高了系统的可扩展性。

三、桥接模式

桥接模式（Bridge）是用于把抽象化与实现化解耦，使得二者可以独立变化。它通过提供抽象化和实现化之间的桥接结构，来实现二者的解耦。
这种模式涉及到一个作为桥接的接口，使得实体类的功能独立于接口实现类。这两种类型的类可被结构化改变而互不影响。
优点：

  1. 抽象和实现的分离。
  2. 优秀的扩展能力。
  3. 实现细节对客户透明。

举个例子：绘画不同颜色的各种图像，画不同的形状和涂颜色，便是两个不同的功能，但两者又相互联系，在画完形状后需要涂颜色，但颜色和形状有使多种多样的，此时就可以采用桥接设计模式，将两者的抽象化与实现化解耦，形状和颜色可以独立变化。

下面使用程序演示下上面的例子：

  1. 定义颜色的接口
public interface ColorApi {
   public void drawCircle();
}
  1. 定义不同颜色的实现，这里采用红色和绿色
public class ReqColor implements ColorApi {
    @Override
    public void drawCircle() {
        System.out.println("开始涂红色！");
    }
}

public class GreenColor implements ColorApi {
   @Override
   public void drawCircle() {
      System.out.println("开始涂绿色！");
   }
}
  1. 定义形状的接口
public interface ShapeApi {
    //画形状
    void draw();
    //画形状并涂颜色
    void drawShapeAndsColor();
}
  1. 定义形状的抽象模板，将共性的操作定义到抽象中
public abstract class ShapeAbstract implements ShapeApi {

    public ColorApi colorApi;

    public ShapeAbstract(ColorApi colorApi) {
        this.colorApi = colorApi;
    }

    @Override
    public void drawShapeAndsColor() {
        draw();
        colorApi.drawCircle();
    }
}
  1. 定义圆形的实例
public class Circle extends ShapeAbstract {

   public Circle(ColorApi colorApi) {
      super(colorApi);
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("开始画圆形！");
   }
}
  1. 定义矩形的实例
public class Rectangle extends ShapeAbstract {

    public Rectangle(ColorApi colorApi) {
        super(colorApi);
    }

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("开始画矩形");
    }
}
  1. 演示
public class demo {
   public static void main(String[] args) {
      ShapeApi shapeReq = new Circle(new ReqColor());
      shapeReq.drawShapeAndsColor();

      ShapeApi shapeGreen = new Circle(new GreenColor());
      shapeGreen.drawShapeAndsColor();

      ShapeApi rectangle = new Rectangle(new GreenColor());
      rectangle.drawShapeAndsColor();
   }
}

在这里插入图片描述

上面可以看出，可以灵活的定义形状和颜色的组合，并且他们两个都可以独立变化，添加新的形状只需，建立新的类并实现形状接口，添加颜色也是如此，极大的提高的系统的可扩展性和可维护型。

四、组合模式

组合模式（Composite Pattern），又叫部分整体模式，是用于把一组相似的对象当作一个单一的对象。
组合模式依据树形结构来组合对象，用来表示部分以及整体层次。它创建了对象组的树形结构。
优点：

  1. 高层模块调用简单。
  2. 节点自由增加。

缺点：
在使用组合模式时，其叶子和树枝的声明都是实现类，而不是接口，违反了依赖倒置原则。

举个例子：一个公司，从上到下分为，公司、部门、小组等，他们整个在一起才能称为一个完整的公司，要表示做个公司的结构，就可以采用组合设计模式。

下面使用程序演示下上面的例子：

  1. 定义属性类，用来表示不同层级的对象
@Data
public class Property {
   private String name;
   //下一层的子集
   private List<Property> next;

   public Property(String name) {
      this.name = name;
      next = new ArrayList<Property>();
   }
 
   public void add(Property e) {
      next.add(e);
   }
 
   public void remove(Property e) {
      next.remove(e);
   }
 
   public List<Property> getSubordinates(){
     return next;
   }
}
  1. 使用演示
public class demo {
   public static void main(String[] args) {
      Property company = new Property("公司");
      Property department = new Property("部门");
      Property group = new Property("小组");

      company.add(department);
      department.add(group);

      System.out.println(company);
   }
}

在这里插入图片描述

上面就演示了一个公司的组合，通过company对象就可以获得整个公司的各个部分的对象。组合设计模式主要适合于整体部分的场景。

五、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。他的优点是大大减少对象的创建，降低系统的内存，使效率提高，但也有可能造成内存的浪费。比如Spring的采用容器的方式存储bean，使用时从容器中获取。

还是拿画不同颜色形状的例子演示下享元设计模式的使用：

  1. 定义形状的接口
public interface Shape {
   void draw();
}
  1. 定义圆形的实现，并接收一个颜色值：
public class Circle implements Shape {

    private String color;

    public Circle(String color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println(StringFormatter.concat("开始画 ", color, " 色的圆 ").getValue());
    }
}
  1. 定义形状对象获取工厂，根据颜色值将对象存储到HashMap中，后再根据颜色值取对象，达到复用的效果。
public class ShapeFactory {

    private static final HashMap<String, Shape> circleMap = new HashMap<>();

    public static Shape getCircle(String color) {
        if (!circleMap.containsKey(color)) {
            System.out.println(StringFormatter.concat(">> 创建", color, "颜色的圆 ").getValue());
            circleMap.put(color, new Circle(color));
        }
        return circleMap.get(color);
    }
}
  1. 使用
public class demo {
    private static final String colors[] =
            {"Red", "Green", "Blue", "White", "Black"};

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 20; ++i) {
            Shape circle = ShapeFactory.getCircle(getRandomColor());
            circle.draw();
        }
    }

    private static String getRandomColor() {
        return colors[(int) (Math.random() * colors.length)];
    }
}

在这里插入图片描述

上面可以看出，享元设计模式可以大大减少对象的创建，但也有可以造成内存的浪费，比如某个对象的使用频率非常低，如果一直存在内存中就有点浪费空间了。

六、装饰者模式

装饰者模式（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。
装饰类和被装饰类可以独立发展，不会相互耦合，装饰者模式是继承的一个替代模式，装饰者模式可以动态扩展一个实现类的功能。

举个例子：还是绘画不同的形状的例子，加入系统中有画各种形状的功能，但随着功能后期的演化，需要画出带有边框的各种形状，那么此时就可以采用装饰者设计模式来做增强。

下面使用程序演示下上面的例子：

  1. 定义形状接口
public interface Shape {
   void draw();
}
  1. 定义圆形的实现
public class Circle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("开始画圆形！");
   }
}
  1. 定义矩形的实现
public class Rectangle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("开始画矩形！");
   }
}
  1. 定义装饰器的抽象模板
public abstract class ShapeDecorator implements Shape {
   protected Shape decoratedShape;
 
   public ShapeDecorator(Shape decoratedShape){
      this.decoratedShape = decoratedShape;
   }
 
   @Override
   public void draw(){
      decoratedShape.draw();
   }  
}
  1. 定义具体的边框装饰器
public class BorderShapeDecorator extends ShapeDecorator {
 
   public BorderShapeDecorator(Shape decoratedShape) {
      super(decoratedShape);     
   }
 
   @Override
   public void draw() {
      decoratedShape.draw();         
      setRedBorder(decoratedShape);
   }
 
   private void setRedBorder(Shape decoratedShape){
      System.out.println("画边框！");
   }
}
  1. 演示
public class demo {
   public static void main(String[] args) {
      Shape circle = new Circle();
      circle.draw();

      Shape shape = new BorderShapeDecorator(new Circle());
      shape.draw();

      Shape shape1 = new BorderShapeDecorator(new Rectangle());
      shape1.draw();
   }
}

在这里插入图片描述

上面可以看出再不改变原先类的基础上，做了画边框的效果，对原有做增强，使用装饰者设计模式，可以大大提高系统的可扩展性。

七、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。它向现有的系统添加一个接口，来隐藏系统的复杂性。
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。
它的优点是可以减少系统相互依赖、提高灵活性、提高了安全性。但是它不符合开闭原则，如果要改东西很麻烦，继承重写都不合适。

举个例子：画各种图形的例子，比如要画圆形、矩形、三角形，每画一种图像都要拿到对应的抽象，并调用绘制方法，如果要画的形状过多，这么多的抽象就不好管理了，而如果使用外观设计模式，提供一个统一的抽象，在这个抽象中就可以完成上面不同的绘制，这样就方便了我们的管理。

下面使用程序演示下上面的例子：

  1. 定义形状的接口
public interface Shape {
   void draw();
}
  1. 定义圆形的实例
public class Circle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("开始画圆！");
    }
}
  1. 定义矩形的实例
public class Rectangle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("开始画矩形！");
   }
}
  1. 定义三角形的实例
public class Triangle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("开始画三角形！");
   }
}
  1. 定义一个外观类，并调用上面的功能
public class ShapeFacade {
   private Shape circle;
   private Shape rectangle;
   private Shape square;
 
   public ShapeFacade() {
      circle = new Circle();
      rectangle = new Rectangle();
      square = new Triangle();
   }
 
   public void drawCircle(){
      circle.draw();
   }
   public void drawRectangle(){
      rectangle.draw();
   }
   public void drawSquare(){
      square.draw();
   }
}
  1. 演示
public class demo {
   public static void main(String[] args) {
      ShapeFacade shapeFacade = new ShapeFacade();
      shapeFacade.drawCircle();
      shapeFacade.drawRectangle();
      shapeFacade.drawSquare();
   }
}

在这里插入图片描述
外观设计模式还是比较容易理解的，就是把多个功能统一整个到一个对象中，由这个对象再去调用具体的类和方法。

八、代理设计模式

代理设计模式通过代理控制对象的访问，可以详细访问某个对象的方法，在这个方法调用处理，或调用后处理。既(AOP微实现) 。

代理有分静态代理和动态代理：

  • 静态代理：在程序运行前就已经存在代理类的字节码文件，代理类和委托类的关系在运行前就确定了。
  • 动态代理：是在使用时，动态的生成代理对象，他是在内存中构建代理对象的。

举个例子，在做数据库操作时，一般我们都会在事物中做SQL的操作，那就需要在操作前开启事物，操作后如果成功就需要提交事物，如果代用代理设计模式，就可以将事物开启提交逻辑放在代理类中，被代理的类，只需要关注业务逻辑即可。

下面以支付和事物为例演示下代理模式

采用静态代理，实现上面例子：

  1. 定义支付接口
public interface PayInterFace {
    void pay();
}
  1. 定义微信支付实现
public class WxPay implements PayInterFace {
    @Override
    public void pay() {
        System.out.println("支付中...");
    }
}
  1. 定义支付的代理类
public class PayProxy implements PayInterFace {
    private WxPay pay;

    public PayProxy(WxPay pay) {
        this.pay = pay;
    }

    @Override
    public void pay() {
        System.out.println("事物开始！");
        pay.pay();
        System.out.println("提交事物！");
    }
}
  1. 演示
public class demo {
    public static void main(String[] args) {
        PayInterFace pay = new PayProxy(new WxPay());
        pay.pay();
    }
}

在这里插入图片描述

上面的静态代理，可以看出，我们需要对每个被代理对象设计一个代理类，如果代理的功能非常多，那就需要开发人员写特别多的代理类，下面可以看下动态代理的使用。

采用动态代理，实现上面例子：
这里使用JDK自带的动态代理来实现

  1. 再定义一个支付宝的支付实现
public class ZfbPay implements PayInterFace {
    @Override
    public void pay() {
        System.out.println("支付宝支付中...");
    }
}
  1. 定义代理对象，采用jdk的 InvocationHandler 接口
public class PayProxy implements InvocationHandler {

    private Object object;

    public PayProxy(Object object) {
        this.object = object;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        System.out.println("事物开始！");
        Object result = method.invoke(object, args);
        System.out.println("提交事物！");
        return result;
    }
}
  1. 演示
public class demo {
    public static void main(String[] args) {
        PayInterFace pay = (PayInterFace) Proxy.newProxyInstance(
                PayInterFace.class.getClassLoader(),
                new Class[]{PayInterFace.class},
                new PayProxy(new WxPay()));
        pay.pay();


        PayInterFace pay1 = (PayInterFace) Proxy.newProxyInstance(
                PayInterFace.class.getClassLoader(),
                new Class[]{PayInterFace.class},
                new PayProxy(new ZfbPay()));
        pay1.pay();

    }
}

在这里插入图片描述

上面使用一个代理类，代理了多个对象，相对于静态代理，是代码更简介，灵活性也更高。

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