013、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ー些特定情況的最佳实践,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?

### 考点分析！

这个问题主要是考察对设计模式的了解和掌握程度！我们可以举例，更加清晰的说明典型设计模式到底长什么样子，典型使用场景是怎杨的。

我们以IO框架为例,大家直到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,不断地増加不同层次的功能。

```
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。
![输入图片说明](https://images.gitee.com/uploads/images/2020/1011/224258_428c16d3_1767738.png "屏幕截图.png")

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。
```
Httprequestrequest=httprequest.newbuilder(newURI(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。

### 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)、送代器模式( Iterator)、模板方法模式( Template Method)、访问者模式( Visitor)。

### 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;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getinstance()t
    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 volatile static Singleton instance;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getinstance()
    if(instance == null){ //尽量避免进入同步代码块，提高效率
        synchronized(Singleton.class){ //使用类对象作为锁
            if(instance == null){ //空检查
                instance =new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance;
}
```

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,也有ー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,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();
    }
}

```
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ava.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算改,也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Application Context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。
- 在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。

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