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一、设计模式三大分类总览

1. 创建型模式（5种）
   核心目标：对象创建的优化与解耦

单例模式（Singleton）

工厂模式（Factory）

抽象工厂模式（Abstract Factory）

建造者模式（Builder）

原型模式（Prototype）

2. 结构型模式（7种）
   核心目标：类与对象组合的灵活架构

适配器模式（Adapter）

装饰器模式（Decorator）

代理模式（Proxy）

外观模式（Facade）

桥接模式（Bridge）

组合模式（Composite）

享元模式（Flyweight）

3. 行为型模式（11种）
   核心目标：对象间的交互与职责分配

观察者模式（Observer）

策略模式（Strategy）

命令模式（Command）

责任链模式（Chain of Responsibility）

状态模式（State）

模板方法模式（Template Method）

迭代器模式（Iterator）

中介者模式（Mediator）

备忘录模式（Memento）

访问者模式（Visitor）

解释器模式（Interpreter）

二、创建型模式深度解析

1. 单例模式（Singleton）——对象创建的终极控制

核心特征：全局唯一实例 + 延迟初始化 + 线程安全

演进式实现对比

// 1. 饿汉式（线程安全但立即加载）
public class EagerSingleton {private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();private EagerSingleton() {}public static EagerSingleton getInstance() { return INSTANCE; }
}// 2. 双重校验锁（DCL）实现
public class DCLSingleton {private static volatile DCLSingleton instance; // volatile禁止指令重排序private DCLSingleton() {}public static DCLSingleton getInstance() {if (instance == null) {                    // 第一次检查synchronized (DCLSingleton.class) {    // 锁粒度控制if (instance == null) {            // 第二次检查instance = new DCLSingleton();  // 安全发布}}}return instance;}
}// 3. 枚举实现（《Effective Java》推荐方式）
public enum EnumSingleton {INSTANCE;public void businessMethod() { /*...*/ }
}

技术深挖：

1. volatile关键字：防止JVM指令重排序导致对象未初始化完成就被使用（JVM规范允许的优化）

2. 类加载机制：枚举实现利用类加载的线程安全性保证单例

3. 序列化攻击防御：枚举天然防反射和序列化破坏，普通实现需重写readResolve()

典型应用场景：

// Java原生API中的单例
Runtime runtime = Runtime.getRuntime();      // JVM运行时环境单例
Desktop desktop = Desktop.getDesktop();     // 桌面操作单例

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2. 工厂模式（Factory）——对象创建的工业化革命

模式演进三阶段：
简单工厂 → 工厂方法 → 抽象工厂

工厂方法模式（Factory Method）

// 产品接口
public interface DatabaseConnection {void connect();
}// 具体产品
public class MySQLConnection implements DatabaseConnection {@Override public void connect() { System.out.println("MySQL connected"); }
}// 抽象工厂
public abstract class ConnectionFactory {public abstract DatabaseConnection createConnection();// 模板方法public void initializeConnection() {DatabaseConnection conn = createConnection();conn.connect();// 公共初始化逻辑...}
}// 具体工厂
public class MySQLFactory extends ConnectionFactory {@Overridepublic DatabaseConnection createConnection() {return new MySQLConnection();}
}

Spring框架中的高级应用：

<!-- Bean配置工厂方法 -->
<bean id="mysqlFactory" class="com.example.MySQLFactory"/>
<bean id="connection" factory-bean="mysqlFactory" factory-method="createConnection"/>

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三、结构型模式实战精讲

1. 适配器模式（Adapter）——接口转换的艺术

两种实现方式对比：

类型	实现方式	适用场景	Java示例
类适配器	继承被适配类	需要复用现有类代码	较少使用
对象适配器	组合被适配对象	更灵活的解耦方式	InputStreamReader

JDK中的经典实现：

// 将字节流转换为字符流
InputStreamReader isr = new InputStreamReader(System.in);
BufferedReader br = new BufferedReader(isr);

现代Java中的函数式适配：

// 使用Lambda适配旧接口
Runnable legacyTask = () -> System.out.println("Old task");
ExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();
executor.submit(legacyTask::run);

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2. 装饰器模式（Decorator）——动态增强的利器

模式结构：

          Component↑   ↑ConcreteComponent ← Decorator↑ConcreteDecoratorA

Java IO流的装饰器体系：

// 多层装饰示例
InputStream in = new FileInputStream("data.txt");
in = new BufferedInputStream(in);          // 添加缓冲功能
in = new GZIPInputStream(in);              // 添加压缩解压功能

自定义装饰器实现：

public class CryptoInputStream extends FilterInputStream {private Cipher cipher;public CryptoInputStream(InputStream in, SecretKey key) throws GeneralSecurityException {super(in);cipher = Cipher.getInstance("AES");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);}@Overridepublic int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException {int bytesRead = super.read(b, off, len);if (bytesRead > 0) {try {cipher.doFinal(b, off, bytesRead);  // 解密处理} catch (IllegalBlockSizeException | BadPaddingException e) {throw new IOException("Decryption failed", e);}}return bytesRead;}
}

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四、行为型模式核心剖析

1. 观察者模式（Observer）——事件驱动的基石

Java内置实现演进：

// 传统实现（已过时但仍有参考价值）
public class Observable {private boolean changed = false;private Vector<Observer> observers;public synchronized void addObserver(Observer o) { /*...*/ }public void notifyObservers(Object arg) {// 同步通知逻辑...}
}// 现代实现（推荐）
public class PropertyChangeSupport {public void addPropertyChangeListener(PropertyChangeListener listener) { /*...*/ }public void firePropertyChange(String propertyName, Object oldValue, Object newValue) {// 事件派发...}
}

响应式编程扩展（RxJava示例）：

Observable<String> observable = Observable.create(emitter -> {emitter.onNext("Event 1");emitter.onNext("Event 2");emitter.onComplete();
});observable.subscribe(event -> System.out.println("Received: " + event),error -> System.err.println("Error: " + error),() -> System.out.println("Completed")
);

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2. 策略模式（Strategy）——算法族的自由切换

Lambda表达式带来的革新：

// 传统实现
public interface ValidationStrategy {boolean execute(String s);
}public class IsNumeric implements ValidationStrategy {@Overridepublic boolean execute(String s) {return s.matches("\\d+");}
}// Lambda实现
ValidationStrategy numericStrategy = s -> s.matches("\\d+");
ValidationStrategy lowerCaseStrategy = s -> s.matches("[a-z]+");// 上下文使用
public class Validator {private ValidationStrategy strategy;public Validator(ValidationStrategy v) { this.strategy = v; }public boolean validate(String s) { return strategy.execute(s); }
}

Java集合框架的典型应用：

List<String> names = Arrays.asList("Alice", "Bob", "Charlie");
Collections.sort(names, (a, b) -> b.compareTo(a));  // 策略注入

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五、Java特有模式深度探讨

1. 空对象模式（Null Object）——防御式编程的优雅解决方案

完整实现示例：

public interface Logger {void log(String message);
}public class ConsoleLogger implements Logger {@Overridepublic void log(String message) {System.out.println(message);}
}public class NullLogger implements Logger {@Overridepublic void log(String message) {// 静默处理}
}// 客户端使用
public class PaymentService {private Logger logger = new NullLogger();  // 默认安全public void setLogger(Logger logger) {this.logger = Objects.requireNonNullElse(logger, new NullLogger());}public void processPayment() {logger.log("Payment started");// 业务逻辑...}
}

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2. 不可变对象模式（Immutable Object）——并发安全的终极形态

构建不可变类的五大铁律：

1. 所有字段final修饰
2. 类声明为final
3. 不暴露可变引用
4. 不提供setter方法
5. 构造器完全初始化

深度防御示例：

public final class ImmutablePerson {private final String name;private final Date birthDate;  // Date本身可变public ImmutablePerson(String name, Date birthDate) {this.name = name;// 防御性拷贝this.birthDate = new Date(birthDate.getTime());}public Date getBirthDate() {// 返回拷贝对象return new Date(birthDate.getTime());}
}

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六、模式应用黄金法则

1. 模式选择决策树

是否需要控制对象创建？ → 创建型模式├─ 需要全局唯一实例 → 单例├─ 需要复杂构造过程 → 建造者└─ 需要灵活的产品族 → 抽象工厂是否需要重组对象结构？ → 结构型模式├─ 接口不兼容 → 适配器├─ 需要透明扩展 → 装饰器└─ 控制对象访问 → 代理是否需要协调对象行为？ → 行为型模式├─ 事件通知机制 → 观察者├─ 算法动态切换 → 策略└─ 流程标准化 → 模板方法

2. 模式反模式警示

• 单例滥用：导致隐藏的依赖关系和测试困难
• 过度装饰：产生过多小对象影响性能
• 观察者泄漏：未及时取消注册导致内存泄漏
• 策略膨胀：大量策略类增加维护成本

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七、现代Java中的模式演进

1. Lambda表达式对传统模式的冲击

策略模式简化：

// 传统方式
Arrays.sort(words, new Comparator<String>() {public int compare(String a, String b) {return Integer.compare(a.length(), b.length());}
});// Lambda简化
Arrays.sort(words, (a, b) -> Integer.compare(a.length(), b.length()));

2. 模块化带来的模式变化

服务加载器替代工厂模式：

// META-INF/services/com.example.DatabaseConnection
ServiceLoader<DatabaseConnection> loader = ServiceLoader.load(DatabaseConnection.class);
DatabaseConnection conn = loader.findFirst().orElseThrow();

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八、设计模式在Java生态中的典型应用

框架/库	核心模式	具体实现
Spring	工厂模式、代理模式、模板方法	BeanFactory、AOP代理、JdbcTemplate
Hibernate	代理模式、工厂模式	延迟加载代理、SessionFactory
JavaFX	观察者模式、命令模式	Property绑定、EventHandler
Netty	责任链模式、Reactor模式	ChannelPipeline、EventLoop

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