设计模式：结构型模式

1. 适配器模式 (Adapter Pattern)

适配器模式是一种结构型设计模式，旨在将一个类的接口转换成客户端所期待的另一个接口，从而使原本由于接口不兼容而无法一起工作的类能够协同工作。适配器模式通常用于需要复用现有类但其接口与要求不匹配的情况。

1.1 适配器模式的概念和作用

适配器模式允许接口不兼容的类可以相互合作，其作用在于解决不同接口之间的兼容性问题，使得原本不兼容的类可以协同工作。它允许我们创建一个包装器 (Adapter)，该包装器实现了客户端所期待的目标接口，并将调用转发给被包装对象。

1.2 对象适配器和类适配器的区别

在适配器模式中，有两种常见的实现方式：对象适配器和类适配器。

  • 对象适配器：适配器持有被适配对象的实例，并在适配器中调用被适配对象的方法来实现目标接口。
  • 类适配器：适配器继承了被适配对象，同时实现了目标接口，从而使得适配器可以作为被适配对象的子类被使用。

1.3 适配器模式的结构和实现

适配器模式的结构包括：目标接口 (Target)、适配器 (Adapter)、被适配对象 (Adaptee)。

// 目标接口
interface Target {void request();
}// 被适配对象
class Adaptee {public void specificRequest() {System.out.println("Adaptee's specificRequest called");}
}// 类适配器
class ClassAdapter extends Adaptee implements Target {@Overridepublic void request() {specificRequest();}
}// 对象适配器
class ObjectAdapter implements Target {private Adaptee adaptee;public ObjectAdapter(Adaptee adaptee) {this.adaptee = adaptee;}@Overridepublic void request() {adaptee.specificRequest();}
}

1.4 适配器模式的优缺点

  • 优点：
    • 使得客户端可以调用不兼容接口的对象。
    • 可以封装已有的类，提高代码复用性。
  • 缺点：
    • 类适配器需要多重继承，不够灵活，只能适配适配者的接口。
    • 对象适配器需要额外的对象引用，增加了系统的复杂度。

1.5 适配器模式在实际项目中的应用场景

适配器模式常用于以下场景：

  • 已有类的接口与现有系统不兼容。
  • 在不破坏封装性的前提下，需要将一个类适配到另一个接口。
  • 需要复用一个类，但其接口与其他类不兼容。

2. 桥接模式 (Bridge Pattern)

桥接模式是一种结构型设计模式，旨在将抽象部分与实现部分分离，使它们可以独立地变化。桥接模式通过将抽象部分和实现部分分开，使它们可以独立地进行扩展和变化，从而降低它们之间的耦合度。

2.1 桥接模式的概念和作用

桥接模式的核心思想是将抽象与实现分离，使它们可以独立变化，相互之间解耦。这样一来，抽象部分和实现部分可以分别进行扩展，而不会相互影响，从而提高了系统的灵活性和可扩展性。

2.2 桥接模式的结构和实现

在桥接模式中，有两个重要的角色：抽象类 (Abstraction) 和实现类 (Implementor)。抽象类定义了抽象部分的接口，而实现类则负责实现抽象部分的具体功能。

// 抽象类
abstract class Abstraction {protected Implementor implementor;public Abstraction(Implementor implementor) {this.implementor = implementor;}public abstract void operation();
}// 实现类接口
interface Implementor {void operationImpl();
}// 具体实现类A
class ConcreteImplementorA implements Implementor {@Overridepublic void operationImpl() {System.out.println("ConcreteImplementorA operationImpl called");}
}// 具体实现类B
class ConcreteImplementorB implements Implementor {@Overridepublic void operationImpl() {System.out.println("ConcreteImplementorB operationImpl called");}
}// 桥接模式的具体实现
class RefinedAbstraction extends Abstraction {public RefinedAbstraction(Implementor implementor) {super(implementor);}@Overridepublic void operation() {implementor.operationImpl();}
}

2.3 桥接模式的优缺点

  • 优点：
    • 分离抽象部分和实现部分，使得系统更加灵活。
    • 可以独立地扩展抽象部分和实现部分。
    • 符合开闭原则，对扩展开放，对修改关闭。
  • 缺点：
    • 增加了系统的复杂度，需要同时设计抽象类和实现类的层次结构。

2.4 桥接模式在实际项目中的应用场景

桥接模式常用于以下场景：

  • 当一个类需要多个变化维度时，使用桥接模式可以将各个维度分离，使得每个维度可以独立变化。
  • 当需要对抽象部分和实现部分进行独立扩展时，可以使用桥接模式。

3. 组合模式 (Composite Pattern)

组合模式是一种结构型设计模式，它允许将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。组合模式使得用户可以统一对待单个对象和组合对象，从而简化了客户端的代码。

3.1 组合模式的概念和作用

组合模式的核心思想是将对象组织成树形结构，使得客户端可以统一处理单个对象和组合对象。这样一来，用户可以像处理单个对象一样处理组合对象，无需关心其内部结构。

3.2 组合模式的结构和实现

在组合模式中，有两个重要的角色：组件 (Component) 和叶子节点 (Leaf)、容器节点 (Composite)。

// 抽象组件类
interface Component {void operation();
}// 叶子节点类
class Leaf implements Component {@Overridepublic void operation() {System.out.println("Leaf operation called");}
}// 容器节点类
class Composite implements Component {private List<Component> children = new ArrayList<>();public void add(Component component) {children.add(component);}public void remove(Component component) {children.remove(component);}@Overridepublic void operation() {for (Component component : children) {component.operation();}}
}

3.3 组合模式的优缺点

  • 优点：
    • 统一对待单个对象和组合对象，简化了客户端代码。
    • 可以动态地增加或删除组合对象，更灵活。
  • 缺点：
    • 增加了系统的复杂性，需要设计额外的层次结构。
    • 不太容易限制组合对象的类型。

3.4 组合模式在实际项目中的应用场景

组合模式常用于以下场景：

  • 表示树形结构的数据，如文件系统、组织架构等。
  • 图形界面中的布局管理器，将控件组织成嵌套的层次结构。
  • 菜单管理系统，将菜单项和子菜单组织成树形结构。

4. 装饰器模式 (Decorator Pattern)

装饰器模式是一种结构型设计模式，允许向现有对象动态地添加新功能，同时又不改变其结构。这种模式对于扩展类的功能非常有用，同时又保持了类的简单性和可读性。

4.1 装饰器模式的概念和作用

装饰器模式允许在不改变现有对象结构的情况下，动态地添加新功能。它通过创建一个装饰器类，该类包含一个指向原始对象的引用，并实现与原始对象相同的接口。通过将装饰器类的对象包裹在原始对象周围，可以逐步添加新的行为。

4.2 装饰器模式的结构和实现

在装饰器模式中，有以下几个关键角色：组件 (Component)、具体组件 (ConcreteComponent)、装饰器 (Decorator)、具体装饰器 (ConcreteDecorator)。

// 抽象组件类
interface Component {void operation();
}// 具体组件类
class ConcreteComponent implements Component {@Overridepublic void operation() {System.out.println("ConcreteComponent operation called");}
}// 抽象装饰器类
abstract class Decorator implements Component {protected Component component;public Decorator(Component component) {this.component = component;}@Overridepublic void operation() {component.operation();}
}// 具体装饰器类
class ConcreteDecorator extends Decorator {public ConcreteDecorator(Component component) {super(component);}@Overridepublic void operation() {super.operation();addedBehavior();}private void addedBehavior() {System.out.println("Added behavior by ConcreteDecorator");}
}

4.3 装饰器模式的优缺点

  • 优点：
    • 可以动态地添加或删除对象的功能，灵活性高。
    • 遵循开闭原则，不需要修改现有代码就可以添加新功能。
  • 缺点：
    • 可能会产生大量的具体装饰器类，增加了系统的复杂性。
    • 客户端需要了解装饰器和被装饰对象的区别，容易混淆。

4.4 装饰器模式在实际项目中的应用场景

装饰器模式常用于以下场景：

  • Java I/O 类库中的 InputStream 和 OutputStream 就是使用了装饰器模式，通过组合不同的装饰器类来实现不同的功能。
  • GUI 应用程序中的窗口和控件，通过装饰器模式可以动态地添加边框、滚动条等装饰。
  • Web 开发中的过滤器、拦截器等功能，也可以使用装饰器模式来实现。

5. 外观模式 (Facade Pattern)

外观模式是一种结构型设计模式，提供了一个统一的接口，用于访问子系统中的一群接口。它隐藏了子系统的复杂性，使得客户端更加容易使用。

5.1 外观模式的概念和作用

外观模式的核心思想是提供一个简单的接口，隐藏了系统的复杂性，并将系统的子模块组织成一个更大的系统。这样，客户端只需要与外观对象进行交互，而不需要了解内部子系统的细节。

5.2 外观模式的结构和实现

在外观模式中，有以下几个关键角色：外观 (Facade)、子系统 (Subsystem)。

// 子系统类
class Subsystem1 {public void operation1() {System.out.println("Subsystem1 operation");}
}class Subsystem2 {public void operation2() {System.out.println("Subsystem2 operation");}
}class Subsystem3 {public void operation3() {System.out.println("Subsystem3 operation");}
}// 外观类
class Facade {private Subsystem1 subsystem1;private Subsystem2 subsystem2;private Subsystem3 subsystem3;public Facade() {subsystem1 = new Subsystem1();subsystem2 = new Subsystem2();subsystem3 = new Subsystem3();}public void operation() {subsystem1.operation1();subsystem2.operation2();subsystem3.operation3();}
}

5.3 外观模式的优缺点

  • 优点：
    • 简化了客户端与子系统之间的交互，降低了耦合度。
    • 客户端不需要了解子系统的内部结构，减少了对子系统的直接依赖。
    • 提高了代码的灵活性和可维护性。
  • 缺点：
    • 如果外观对象过于臃肿，可能会变得难以维护和理解。

5.4 外观模式在实际项目中的应用场景

外观模式常用于以下场景：

  • 复杂系统的接口简化：当一个系统包含多个子系统，并且子系统之间存在复杂的依赖关系时，可以使用外观模式来简化客户端与系统之间的交互。
  • 封装不稳定的接口：当一个系统中的某些接口频繁变化，但是客户端不希望因此受到影响时，可以使用外观模式来封装这些不稳定的接口。

6. 享元模式 (Flyweight Pattern)

享元模式是一种结构型设计模式，旨在通过共享对象来最小化内存使用和提高性能。它适用于大量相似对象的场景，通过共享内部状态来减少内存占用。

6.1 享元模式的概念和作用

享元模式的核心思想是共享对象以减少内存占用和提高性能。在享元模式中，对象分为内部状态和外部状态。内部状态是可以共享的，而外部状态是不可共享的。通过共享内部状态，可以减少系统中重复对象的数量，从而节省内存。

6.2 享元模式的结构和实现

在享元模式中，有以下几个关键角色：享元工厂 (FlyweightFactory)、具体享元 (ConcreteFlyweight)、非共享具体享元 (UnsharedConcreteFlyweight)、享元接口 (Flyweight)。

// 享元接口
interface Flyweight {void operation();
}// 具体享元
class ConcreteFlyweight implements Flyweight {private String intrinsicState;public ConcreteFlyweight(String intrinsicState) {this.intrinsicState = intrinsicState;}@Overridepublic void operation() {System.out.println("ConcreteFlyweight: Intrinsic State = " + intrinsicState);}
}// 享元工厂
class FlyweightFactory {private Map<String, Flyweight> flyweights = new HashMap<>();public Flyweight getFlyweight(String key) {if (!flyweights.containsKey(key)) {flyweights.put(key, new ConcreteFlyweight(key));}return flyweights.get(key);}
}

6.3 享元模式的优缺点

  • 优点：
    • 减少内存占用：通过共享内部状态，可以减少系统中重复对象的数量，节省内存空间。
    • 提高性能：由于减少了对象数量，可以提高系统的性能。
  • 缺点：
    • 增加了系统复杂性：引入了共享对象的管理机制，增加了系统的复杂度。
    • 限制外部状态：外部状态不可共享，可能导致一些不便之处。

6.4 享元模式在实际项目中的应用场景

享元模式常用于以下场景：

  • 文字编辑器中的字符共享：在文字编辑器中，如果存在大量相同字符，可以使用享元模式共享这些字符对象，减少内存占用。
  • 棋盘游戏中的棋子管理：在棋盘游戏中，如果存在大量相同的棋子对象，可以使用享元模式共享这些棋子对象，提高性能。

7. 代理模式 (Proxy Pattern)

代理模式是一种结构型设计模式，用于控制对其他对象的访问。

7.1 代理模式的概念和作用

代理模式充当了客户端和目标对象之间的中介，控制对目标对象的访问。它通常用于以下情况：

  • 远程代理：控制对远程对象的访问，例如在网络上访问对象。
  • 虚拟代理：延迟加载目标对象，直到真正需要时才创建。
  • 保护代理：控制对目标对象的访问权限，验证客户端的请求是否合法。
  • 缓存代理：为昂贵的操作结果提供缓存，避免重复计算。

7.2 静态代理和动态代理的区别

  • 静态代理：在编译时已经确定代理类和目标类的关系，代理类需要显式地实现与目标类相同的接口或继承相同的父类。缺点是每个代理类只能代理一个目标类，不够灵活。
  • 动态代理：在运行时动态生成代理类，无需提前定义代理类。Java中的动态代理是通过 java.lang.reflect.Proxy 类实现的，可以代理任意接口。相比静态代理更灵活，但性能上略有损失。

7.3 代理模式的结构和实现

代理模式通常包含以下角色：

  • 抽象主题 (Subject)：定义了代理类和真实主题类的公共接口，客户端通过此接口访问真实主题。
  • 真实主题 (Real Subject)：实现了抽象主题接口，是代理模式中的实际业务逻辑。
  • 代理类 (Proxy)：保存了一个真实主题对象的引用，可以控制对真实主题的访问，在必要时创建或删除真实主题对象。

示例代码：

// 抽象主题
interface Subject {void request();
}// 真实主题
class RealSubject implements Subject {public void request() {System.out.println("RealSubject: Handling request.");}
}// 代理类
class Proxy implements Subject {private RealSubject realSubject;public Proxy() {this.realSubject = new RealSubject();}public void request() {System.out.println("Proxy: Pre-processing request.");realSubject.request();System.out.println("Proxy: Post-processing request.");}
}

7.4 代理模式的优缺点

优点：

  • 可以实现对目标对象的控制，保护目标对象和客户端的透明性。
  • 可以实现远程代理、虚拟代理、保护代理等多种功能。

缺点：

  • 由于增加了代理类，可能导致代码结构复杂化。
  • 静态代理需要提前定义代理类，不够灵活；动态代理性能稍逊于静态代理。

7.5 代理模式在实际项目中的应用场景

  • 对外服务接口的访问控制与权限验证。
  • 远程接口的访问与数据传输。
  • 延迟加载大对象或耗时操作。

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