Java中常见的设计模式及其实际应用

在软件开发中，设计模式是重要的指导原则，它们提供了解决特定问题的可重用方案。Java作为一种强大的编程语言，广泛应用了许多设计模式。让我们深入探讨几种常见的设计模式，并展示它们在实际Java应用中的用例。

1. 单例模式 (Singleton Pattern)
单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {} // 私有构造函数public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}// 在实际应用中的使用：
public class SingletonApp {public static void main(String[] args) {Singleton obj = Singleton.getInstance();// 使用obj进行操作}
}

2. 工厂模式 (Factory Pattern)
工厂模式用于创建对象，但将具体创建的逻辑封装在一个单独的类中。

interface Shape {void draw();
}class Circle implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("画一个圆形");}
}class Rectangle implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("画一个矩形");}
}class ShapeFactory {public Shape getShape(String shapeType) {if (shapeType == null) {return null;} else if (shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")) {return new Circle();} else if (shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")) {return new Rectangle();}return null;}
}// 在实际应用中的使用：
public class FactoryPatternApp {public static void main(String[] args) {ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();Shape circle = shapeFactory.getShape("CIRCLE");circle.draw(); // 输出：画一个圆形Shape rectangle = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");rectangle.draw(); // 输出：画一个矩形}
}

3. 观察者模式 (Observer Pattern)
观察者模式用于对象之间的一对多依赖关系，当一个对象状态改变时，其依赖对象会得到通知并自动更新。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;interface Observer {void update();
}class Subject {private List<Observer> observers = new ArrayList<>();private int state;public int getState() {return state;}public void setState(int state) {this.state = state;notifyAllObservers();}public void attach(Observer observer) {observers.add(observer);}public void notifyAllObservers() {for (Observer observer : observers) {observer.update();}}
}class BinaryObserver implements Observer {private Subject subject;public BinaryObserver(Subject subject) {this.subject = subject;this.subject.attach(this);}@Overridepublic void update() {System.out.println("Binary String: " + Integer.toBinaryString(subject.getState()));}
}// 在实际应用中的使用：
public class ObserverPatternApp {public static void main(String[] args) {Subject subject = new Subject();new BinaryObserver(subject);subject.setState(10); // 输出：Binary String: 1010}
}

4. 装饰器模式 (Decorator Pattern)
装饰器模式允许向现有对象动态地添加新功能，它是继承的替代方案。

interface Shape {void draw();
}class Circle implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("画一个圆形");}
}class Rectangle implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("画一个矩形");}
}abstract class ShapeDecorator implements Shape {protected Shape decoratedShape;public ShapeDecorator(Shape decoratedShape) {this.decoratedShape = decoratedShape;}public void draw() {decoratedShape.draw();}
}class RedShapeDecorator extends ShapeDecorator {public RedShapeDecorator(Shape decoratedShape) {super(decoratedShape);}@Overridepublic void draw() {decoratedShape.draw();setRedBorder(decoratedShape);}private void setRedBorder(Shape decoratedShape) {System.out.println("边框颜色：红色");}
}// 在实际应用中的使用：
public class DecoratorPatternApp {public static void main(String[] args) {Shape circle = new Circle();Shape redCircle = new RedShapeDecorator(new Circle());Shape redRectangle = new RedShapeDecorator(new Rectangle());circle.draw(); // 输出：画一个圆形redCircle.draw();// 输出：// 画一个圆形// 边框颜色：红色redRectangle.draw();// 输出：// 画一个矩形// 边框颜色：红色}
}

5. 策略模式 (Strategy Pattern)
策略模式定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以相互替换，使得算法可独立于使用它的客户而变化。

interface Strategy {int doOperation(int num1, int num2);
}class OperationAdd implements Strategy {public int doOperation(int num1, int num2) {return num1 + num2;}
}class OperationSubtract implements Strategy {public int doOperation(int num1, int num2) {return num1 - num2;}
}class Context {private Strategy strategy;public Context(Strategy strategy) {this.strategy = strategy;}public int executeStrategy(int num1, int num2) {return strategy.doOperation(num1, num2);}
}// 在实际应用中的使用：
public class StrategyPatternApp {public static void main(String[] args) {Context context = new Context(new OperationAdd());System.out.println("10 + 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));context = new Context(new OperationSubtract());System.out.println("10 - 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));}
}

6. 原型模式 (Prototype Pattern)
原型模式用于创建对象的一种方式，通过复制现有对象来生成新对象，避免了构造函数的执行。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;abstract class Shape implements Cloneable {protected String type;abstract void draw();public String getType() {return type;}public Object clone() {Object clone = null;try {clone = super.clone();} catch (CloneNotSupportedException e) {e.printStackTrace();}return clone;}
}class Circle extends Shape {public Circle() {type = "Circle";}@Overridevoid draw() {System.out.println("画一个圆形");}
}class Rectangle extends Shape {public Rectangle() {type = "Rectangle";}@Overridevoid draw() {System.out.println("画一个矩形");}
}class ShapeCache {private static Map<String, Shape> shapeMap = new HashMap<>();public static Shape getShape(String shapeId) {Shape cachedShape = shapeMap.get(shapeId);return (Shape) cachedShape.clone();}public static void loadCache() {Circle circle = new Circle();circle.draw();shapeMap.put(circle.getType(), circle);Rectangle rectangle = new Rectangle();rectangle.draw();shapeMap.put(rectangle.getType(), rectangle);}
}// 在实际应用中的使用：
public class PrototypePatternApp {public static void main(String[] args) {ShapeCache.loadCache();Shape clonedShape1 = ShapeCache.getShape("Circle");System.out.println("Shape : " + clonedShape1.getType());Shape clonedShape2 = ShapeCache.getShape("Rectangle");System.out.println("Shape : " + clonedShape2.getType());}
}

7. 适配器模式 (Adapter Pattern)
适配器模式允许接口不兼容的类能够一起工作，将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口。

interface MediaPlayer {void play(String audioType, String fileName);
}interface AdvancedMediaPlayer {void playVlc(String fileName);void playMp4(String fileName);
}class VlcPlayer implements AdvancedMediaPlayer {@Overridepublic void playVlc(String fileName) {System.out.println("Playing vlc file. Name: " + fileName);}@Overridepublic void playMp4(String fileName) {// do nothing}
}class Mp4Player implements AdvancedMediaPlayer {@Overridepublic void playVlc(String fileName) {// do nothing}@Overridepublic void playMp4(String fileName) {System.out.println("Playing mp4 file. Name: " + fileName);}
}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();}}@Overridepublic void play(String audioType, String fileName) {if (audioType.equalsIgnoreCase("vlc")) {advancedMusicPlayer.playVlc(fileName);} else if (audioType.equalsIgnoreCase("mp4")) {advancedMusicPlayer.playMp4(fileName);}}
}class AudioPlayer implements MediaPlayer {MediaAdapter mediaAdapter;@Overridepublic void play(String audioType, String fileName) {if (audioType.equalsIgnoreCase("mp3")) {System.out.println("Playing mp3 file. Name: " + fileName);} 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");}}
}// 在实际应用中的使用：
public class AdapterPatternApp {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");}
}

8. 桥接模式 (Bridge Pattern)
桥接模式将抽象部分与它的实现部分分离，以便两者能够独立地变化。

interface DrawAPI {void drawCircle(int radius, int x, int y);
}class RedCircle implements DrawAPI {@Overridepublic void drawCircle(int radius, int x, int y) {System.out.println("Drawing Circle[ color: red, radius: " + radius + ", x: " + x + ", y: " + y + "]");}
}class GreenCircle implements DrawAPI {@Overridepublic void drawCircle(int radius, int x, int y) {System.out.println("Drawing Circle[ color: green, radius: " + radius + ", x: " + x + ", y: " + y + "]");}
}abstract class Shape {protected DrawAPI drawAPI;protected Shape(DrawAPI drawAPI) {this.drawAPI = drawAPI;}public abstract void draw();
}class Circle extends Shape {private int x, y, radius;public Circle(int x, int y, int radius, DrawAPI drawAPI) {super(drawAPI);this.x = x;this.y = y;this.radius = radius;}public void draw() {drawAPI.drawCircle(radius, x, y);}
}// 在实际应用中的使用：
public class BridgePatternApp {public static void main(String[] args) {Shape redCircle = new Circle(100, 100, 10, new RedCircle());Shape greenCircle = new Circle(100, 100, 10, new GreenCircle());redCircle.draw();greenCircle.draw();}
}

9. 建造者模式 (Builder Pattern)
建造者模式用于构建复杂对象，将对象的构建过程与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

class Meal {private String drink;private String mainCourse;private String side;public void setDrink(String drink) {this.drink = drink;}public void setMainCourse(String mainCourse) {this.mainCourse = mainCourse;}public void setSide(String side) {this.side = side;}public void showItems() {System.out.println("Drink: " + drink);System.out.println("Main Course: " + mainCourse);System.out.println("Side: " + side);}
}interface MealBuilder {void buildDrink();void buildMainCourse();void buildSide();Meal getMeal();
}class VegMealBuilder implements MealBuilder {private Meal meal = new Meal();public void buildDrink() {meal.setDrink("Water");}public void buildMainCourse() {meal.setMainCourse("Salad");}public void buildSide() {meal.setSide("Bread");}public Meal getMeal() {return meal;}
}class MealDirector {public Meal createMeal(MealBuilder mealBuilder) {mealBuilder.buildDrink();mealBuilder.buildMainCourse();mealBuilder.buildSide();return mealBuilder.getMeal();}
}// 在实际应用中的使用：
public class BuilderPatternApp {public static void main(String[] args) {MealBuilder vegMealBuilder = new VegMealBuilder();MealDirector mealDirector = new MealDirector();Meal meal = mealDirector.createMeal(vegMealBuilder);meal.showItems();}
}

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