设计模式，即Design Patterns，是指在软件设计中，被反复使用的一种代码设计经验。使用设计模式的目的是为了可重用代码，提高代码的可扩展性和可维护性。
为什么要使用设计模式？根本原因还是软件开发要实现可维护、可扩展，就必须尽量复用代码，并且降低代码的耦合度。设计模式主要是基于OOP编程提炼的，它基于以下几个原则：
开闭原则
由Bertrand Meyer提出的开闭原则（Open Closed Principle）是指，软件应该对扩展开放，而对修改关闭。这里的意思是在增加新功能的时候，能不改代码就尽量不要改，如果只增加代码就完成了新功能，那是最好的。
里氏替换原则
里氏替换原则是Barbara Liskov提出的，这是一种面向对象的设计原则，即如果我们调用一个父类的方法可以成功，那么替换成子类调用也应该完全可以运行。
设计模式把一些常用的设计思想提炼出一个个模式，然后给每个模式命名，这样在使用的时候更方便交流。GoF把23个常用模式分为创建型模式、结构型模式和行为型模式三类。
学习设计模式，关键是学习设计思想，不能简单地生搬硬套，也不能为了使用设计模式而过度设计，要合理平衡设计的复杂度和灵活性，并意识到设计模式也并不是万能的。

1.创建型模式

创建型模式关注点是如何创建对象，其核心思想是要把对象的创建和使用相分离，这样使得两者能相对独立地变换。
创建型模式包括：

• 工厂方法：Factory Method
• 抽象工厂：Abstract Factory
• 建造者：Builder
• 原型：Prototype

• 单例：Singleton

  1.工厂方法

  定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。Factory Method使一个类的实例化延迟到其子类。
  工厂方法即Factory Method，是一种对象创建型模式。
  工厂方法的目的是使得创建对象和使用对象是分离的，并且客户端总是引用抽象工厂和抽象产品。
  
  假设我们希望实现一个解析字符串到Number的Factory，可以定义如下：

  public interface NumberFactory {
    Number parse(String s);
  }

  有了工厂接口，再编写一个工厂的实现类：

  public class NumberFactoryImpl implements NumberFactory {
    public Number parse(String s) {
        return new BigDecimal(s);
    }
  }

  而产品接口是Number，NumberFactoryImpl返回的实际产品是BigDecimal。
  那么客户端如何创建NumberFactoryImpl呢？通常我们会在接口Factory中定义一个静态方法getFactory()来返回真正的子类：

  public interface NumberFactory {
    // 创建方法:
    Number parse(String s);
    // 获取工厂实例:
    static NumberFactory getFactory() {
        return impl;
    }
    static NumberFactory impl = new NumberFactoryImpl();
  }

  在客户端中，我们只需要和工厂接口NumberFactory以及抽象产品Number打交道：

  NumberFactory factory = NumberFactory.getFactory();
  Number result = factory.parse("123.456");

  调用方可以完全忽略真正的工厂NumberFactoryImpl和实际的产品BigDecimal，这样做的好处是允许创建产品的代码独立地变换，而不会影响到调用方。
  实际上大多数情况下我们并不需要抽象工厂，而是通过静态方法直接返回产品，即：

  public class NumberFactory {
    public static Number parse(String s) {
        return new BigDecimal(s);
    }
  }

  这种简化的使用静态方法创建产品的方式称为静态工厂方法（Static Factory Method）。静态工厂方法广泛地应用在Java标准库中。例如：

  Integer n = Integer.valueOf(100);

  Integer既是产品又是静态工厂。它提供了静态方法valueOf()来创建Integer。那么这种方式和直接写new Integer(100)有何区别呢？我们观察valueOf()方法：

  public final class Integer {
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }
    ...
  }

  它的好处在于，valueOf()内部可能会使用new创建一个新的Integer实例，但也可能直接返回一个缓存的Integer实例。对于调用方来说，没必要知道Integer创建的细节。
  工厂方法可以隐藏创建产品的细节，且不一定每次都会真正创建产品，完全可以返回缓存的产品，从而提升速度并减少内存消耗。
  如果调用方直接使用Integer n = new Integer(100)，那么就失去了使用缓存优化的可能性。
  我们经常使用的另一个静态工厂方法是List.of()：

  List<String> list = List.of("A", "B", "C");

  这个静态工厂方法接收可变参数，然后返回List接口。需要注意的是，调用方获取的产品总是List接口，而且并不关心它的实际类型。即使调用方知道List产品的实际类型是java.util.ImmutableCollections$ListN，也不要去强制转型为子类，因为静态工厂方法List.of()保证返回List，但也完全可以修改为返回java.util.ArrayList。这就是里氏替换原则：返回实现接口的任意子类都可以满足该方法的要求，且不影响调用方。
  总是引用接口而非实现类，能允许变换子类而不影响调用方，即尽可能面向抽象编程。
  和List.of()类似，我们使用MessageDigest时，为了创建某个摘要算法，总是使用静态工厂方法getInstance(String)：

  MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
  MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA-1");

  调用方通过产品名称获得产品实例，不但调用简单，而且获得的引用仍然是MessageDigest这个抽象类。
  工厂方法是指定义工厂接口和产品接口，但如何创建实际工厂和实际产品被推迟到子类实现，从而使调用方只和抽象工厂与抽象产品打交道。
  实际更常用的是更简单的静态工厂方法，它允许工厂内部对创建产品进行优化。
  调用方尽量持有接口或抽象类，避免持有具体类型的子类，以便工厂方法能随时切换不同的子类返回，却不影响调用方代码。

  2.抽象工厂

  提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。
  抽象工厂模式（Abstract Factory）是一个比较复杂的创建型模式。
  抽象工厂模式和工厂方法不太一样，它要解决的问题比较复杂，不但工厂是抽象的，产品是抽象的，而且有多个产品需要创建，因此，这个抽象工厂会对应到多个实际工厂，每个实际工厂负责创建多个实际产品：
  
  这种模式有点类似于多个供应商负责提供一系列类型的产品。我们举个例子：
  假设我们希望为用户提供一个Markdown文本转换为HTML和Word的服务，它的接口定义如下：

  public interface AbstractFactory {
    // 创建Html文档:
    HtmlDocument createHtml(String md);
    // 创建Word文档:
    WordDocument createWord(String md);
  }

  注意到上面的抽象工厂仅仅是一个接口，没有任何代码。同样的，因为HtmlDocument和WordDocument都比较复杂，现在我们并不知道如何实现它们，所以只有接口： ```java // Html文档接口: public interface HtmlDocument { String toHtml(); void save(Path path) throws IOException; }

// Word文档接口: public interface WordDocument { void save(Path path) throws IOException; }

这样，我们就定义好了抽象工厂（AbstractFactory）以及两个抽象产品（HtmlDocument和WordDocument）。因为实现它们比较困难，我们决定让供应商来完成。<br />现在市场上有两家供应商：FastDoc Soft的产品便宜，并且转换速度快，而GoodDoc Soft的产品贵，但转换效果好。我们决定同时使用这两家供应商的产品，以便给免费用户和付费用户提供不同的服务。<br />我们先看看FastDoc Soft的产品是如何实现的。首先，FastDoc Soft必须要有实际的产品，即FastHtmlDocument和FastWordDocument：
```java
public class FastHtmlDocument implements HtmlDocument {
    public String toHtml() {
        ...
    }
    public void save(Path path) throws IOException {
        ...
    }
}
public class FastWordDocument implements WordDocument {
    public void save(Path path) throws IOException {
        ...
    }
}

然后，FastDoc Soft必须提供一个实际的工厂来生产这两种产品，即FastFactory：

public class FastFactory implements AbstractFactory {
    public HtmlDocument createHtml(String md) {
        return new FastHtmlDocument(md);
    }
    public WordDocument createWord(String md) {
        return new FastWordDocument(md);
    }
}

这样，我们就可以使用FastDoc Soft的服务了。客户端编写代码如下：

// 创建AbstractFactory，实际类型是FastFactory:
AbstractFactory factory = new FastFactory();
// 生成Html文档:
HtmlDocument html = factory.createHtml("#Hello\nHello, world!");
html.save(Paths.get(".", "fast.html"));
// 生成Word文档:
WordDocument word = factory.createWord("#Hello\nHello, world!");
word.save(Paths.get(".", "fast.doc"));

如果我们要同时使用GoodDoc Soft的服务怎么办？因为用了抽象工厂模式，GoodDoc Soft只需要根据我们定义的抽象工厂和抽象产品接口，实现自己的实际工厂和实际产品即可：

// 实际工厂:
public class GoodFactory implements AbstractFactory {
    public HtmlDocument createHtml(String md) {
        return new GoodHtmlDocument(md);
    }
    public WordDocument createWord(String md) {
        return new GoodWordDocument(md);
    }
}
// 实际产品:
public class GoodHtmlDocument implements HtmlDocument {
    ...
}
public class GoodWordDocument implements HtmlDocument {
    ...
}

客户端要使用GoodDoc Soft的服务，只需要把原来的new FastFactory()切换为new GoodFactory()即可。
注意到客户端代码除了通过new创建了FastFactory或GoodFactory外，其余代码只引用了产品接口，并未引用任何实际产品（例如，FastHtmlDocument），如果把创建工厂的代码放到AbstractFactory中，就可以连实际工厂也屏蔽了：

public interface AbstractFactory {
    public static AbstractFactory createFactory(String name) {
        if (name.equalsIgnoreCase("fast")) {
            return new FastFactory();
        } else if (name.equalsIgnoreCase("good")) {
            return new GoodFactory();
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid factory name");
        }
    }
}

抽象工厂模式是为了让创建工厂和一组产品与使用相分离，并可以随时切换到另一个工厂以及另一组产品；
抽象工厂模式实现的关键点是定义工厂接口和产品接口，但如何实现工厂与产品本身需要留给具体的子类实现，客户端只和抽象工厂与抽象产品打交道。

3.生成器

将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
生成器模式（Builder）是使用多个“小型”工厂来最终创建出一个完整对象。
当我们使用Builder的时候，一般来说，是因为创建这个对象的步骤比较多，每个步骤都需要一个零部件，最终组合成一个完整的对象。
我们仍然以Markdown转HTML为例，因为直接编写一个完整的转换器比较困难，但如果针对类似下面的一行文本：

# this is a heading

转换成HTML就很简单：

<h1>this is a heading</h1>

因此，我们把Markdown转HTML看作一行一行的转换，每一行根据语法，使用不同的转换器：

• 如果以#开头，使用HeadingBuilder转换；
• 如果以>开头，使用QuoteBuilder转换；
• 如果以—-开头，使用HrBuilder转换；
• 其余使用ParagraphBuilder转换。

这个HtmlBuilder写出来如下：

public class HtmlBuilder {
    private HeadingBuilder headingBuilder = new HeadingBuilder();
    private HrBuilder hrBuilder = new HrBuilder();
    private ParagraphBuilder paragraphBuilder = new ParagraphBuilder();
    private QuoteBuilder quoteBuilder = new QuoteBuilder();
    public String toHtml(String markdown) {
        StringBuilder buffer = new StringBuilder();
        markdown.lines().forEach(line -> {
            if (line.startsWith("#")) {
                buffer.append(headingBuilder.buildHeading(line)).append('\n');
            } else if (line.startsWith(">")) {
                buffer.append(quoteBuilder.buildQuote(line)).append('\n');
            } else if (line.startsWith("---")) {
                buffer.append(hrBuilder.buildHr(line)).append('\n');
            } else {
                buffer.append(paragraphBuilder.buildParagraph(line)).append('\n');
            }
        });
        return buffer.toString();
    }
}

注意观察上述代码，HtmlBuilder并不是一次性把整个Markdown转换为HTML，而是一行一行转换，并且，它自己并不会将某一行转换为特定的HTML，而是根据特性把每一行都“委托”给一个XxxBuilder去转换，最后，把所有转换的结果组合起来，返回给客户端。
这样一来，我们只需要针对每一种类型编写不同的Builder。例如，针对以#开头的行，需要HeadingBuilder：

public class HeadingBuilder {
    public String buildHeading(String line) {
        int n = 0;
        while (line.charAt(0) == '#') {
            n++;
            line = line.substring(1);
        }
        return String.format("<h%d>%s</h%d>", n, line.strip(), n);
    }
}

注意：实际解析Markdown是带有状态的，即下一行的语义可能与上一行相关。这里我们简化了语法，把每一行视为可以独立转换。
可见，使用Builder模式时，适用于创建的对象比较复杂，最好一步一步创建出“零件”，最后再装配起来。
JavaMail的MimeMessage就可以看作是一个Builder模式，只不过Builder和最终产品合二为一，都是MimeMessage：

Multipart multipart = new MimeMultipart();
// 添加text:
BodyPart textpart = new MimeBodyPart();
textpart.setContent(body, "text/html;charset=utf-8");
multipart.addBodyPart(textpart);
// 添加image:
BodyPart imagepart = new MimeBodyPart();
imagepart.setFileName(fileName);
imagepart.setDataHandler(new DataHandler(new ByteArrayDataSource(input, "application/octet-stream")));
multipart.addBodyPart(imagepart);
MimeMessage message = new MimeMessage(session);
// 设置发送方地址:
message.setFrom(new InternetAddress("me@example.com"));
// 设置接收方地址:
message.setRecipient(Message.RecipientType.TO, new InternetAddress("xiaoming@somewhere.com"));
// 设置邮件主题:
message.setSubject("Hello", "UTF-8");
// 设置邮件内容为multipart:
message.setContent(multipart);

很多时候，我们可以简化Builder模式，以链式调用的方式来创建对象。例如，我们经常编写这样的代码：

StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append(secure ? "https://" : "http://")
       .append("www.liaoxuefeng.com")
       .append("/")
       .append("?t=0");
String url = builder.toString();

由于我们经常需要构造URL字符串，可以使用Builder模式编写一个URLBuilder，调用方式如下：

String url = URLBuilder.builder() // 创建Builder
        .setDomain("www.liaoxuefeng.com") // 设置domain
        .setScheme("https") // 设置scheme
        .setPath("/") // 设置路径
        .setQuery(Map.of("a", "123", "q", "K&R")) // 设置query
        .build(); // 完成build

Builder模式是为了创建一个复杂的对象，需要多个步骤完成创建，或者需要多个零件组装的场景，且创建过程中可以灵活调用不同的步骤或组件。

4.原型

用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。
原型模式，即Prototype，是指创建新对象的时候，根据现有的一个原型来创建。
我们举个例子：如果我们已经有了一个String[]数组，想再创建一个一模一样的String[]数组，怎么写？
实际上创建过程很简单，就是把现有数组的元素复制到新数组。如果我们把这个创建过程封装一下，就成了原型模式。用代码实现如下：

// 原型:
String[] original = { "Apple", "Pear", "Banana" };
// 新对象:
String[] copy = Arrays.copyOf(original, original.length);

对于普通类，我们如何实现原型拷贝？Java的Object提供了一个clone()方法，它的意图就是复制一个新的对象出来，我们需要实现一个Cloneable接口来标识一个对象是“可复制”的：

public class Student implements Cloneable {
    private int id;
    private String name;
    private int score;
    // 复制新对象并返回:
    public Object clone() {
        Student std = new Student();
        std.id = this.id;
        std.name = this.name;
        std.score = this.score;
        return std;
    }
}

使用的时候，因为clone()的方法签名是定义在Object中，返回类型也是Object，所以要强制转型，比较麻烦：

Student std1 = new Student();
std1.setId(123);
std1.setName("Bob");
std1.setScore(88);
// 复制新对象:
Student std2 = (Student) std1.clone();
System.out.println(std1);
System.out.println(std2);
System.out.println(std1 == std2); // false

实际上，使用原型模式更好的方式是定义一个copy()方法，返回明确的类型：

public class Student {
    private int id;
    private String name;
    private int score;
    public Student copy() {
        Student std = new Student();
        std.id = this.id;
        std.name = this.name;
        std.score = this.score;
        return std;
    }
}

原型模式应用不是很广泛，因为很多实例会持有类似文件、Socket这样的资源，而这些资源是无法复制给另一个对象共享的，只有存储简单类型的“值”对象可以复制。
原型模式是根据一个现有对象实例复制出一个新的实例，复制出的类型和属性与原实例相同。

5.单例

保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
单例模式（Singleton）的目的是为了保证在一个进程中，某个类有且仅有一个实例。
因为这个类只有一个实例，因此，自然不能让调用方使用new Xyz()来创建实例了。所以，单例的构造方法必须是private，这样就防止了调用方自己创建实例，但是在类的内部，是可以用一个静态字段来引用唯一创建的实例的：

public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

外部调用方如何获得这个唯一实例？
答案是提供一个静态方法，直接返回实例：

public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    // 通过静态方法返回实例:
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

或者直接把static变量暴露给外部：

public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

所以，单例模式的实现方式很简单：

1. 只有private构造方法，确保外部无法实例化；
2. 通过private static变量持有唯一实例，保证全局唯一性；
3. 通过public static方法返回此唯一实例，使外部调用方能获取到实例。

Java标准库有一些类就是单例，例如Runtime这个类：

Runtime runtime = Runtime.getRuntime();

延迟加载，即在调用方第一次调用getInstance()时才初始化全局唯一实例，类似这样：

public class Singleton {
    private static Singleton INSTANCE = null;
    public static Singleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new Singleton();
        }
        return INSTANCE;
    }
    private Singleton() {
    }
}

遗憾的是，这种写法在多线程中是错误的，在竞争条件下会创建出多个实例。必须对整个方法进行加锁：

public synchronized static Singleton getInstance() {
    if (INSTANCE == null) {
        INSTANCE = new Singleton();
    }
    return INSTANCE;
}

但加锁会严重影响并发性能。还有些童鞋听说过双重检查，类似这样：

public static Singleton getInstance() {
    if (INSTANCE == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (INSTANCE == null) {
                INSTANCE = new Singleton();
            }
        }
    }
    return INSTANCE;
}

然而，由于Java的内存模型，双重检查在这里不成立。要真正实现延迟加载，只能通过Java的ClassLoader机制完成。如果没有特殊的需求，使用Singleton模式的时候，最好不要延迟加载，这样会使代码更简单。
另一种实现Singleton的方式是利用Java的enum，因为Java保证枚举类的每个枚举都是单例，所以我们只需要编写一个只有一个枚举的类即可：

public enum World {
    // 唯一枚举:
    INSTANCE;
    private String name = "world";
    public String getName() {
        return this.name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

枚举类也完全可以像其他类那样定义自己的字段、方法，这样上面这个World类在调用方看来就可以这么用：

String name = World.INSTANCE.getName();

使用枚举实现Singleton还避免了第一种方式实现Singleton的一个潜在问题：即序列化和反序列化会绕过普通类的private构造方法从而创建出多个实例，而枚举类就没有这个问题。
那我们什么时候应该用Singleton呢？实际上，很多程序，尤其是Web程序，大部分服务类都应该被视作Singleton，如果全部按Singleton的写法写，会非常麻烦，所以，通常是通过约定让框架（例如Spring）来实例化这些类，保证只有一个实例，调用方自觉通过框架获取实例而不是new操作符：

@Component // 表示一个单例组件
public class MyService {
    ...
}

因此，除非确有必要，否则Singleton模式一般以“约定”为主，不会刻意实现它。
Singleton模式是为了保证一个程序的运行期间，某个类有且只有一个全局唯一实例；
Singleton模式既可以严格实现，也可以以约定的方式把普通类视作单例。

2.结构型模式

结构型模式主要涉及如何组合各种对象以便获得更好、更灵活的结构。虽然面向对象的继承机制提供了最基本的子类扩展父类的功能，但结构型模式不仅仅简单地使用继承，而更多地通过组合与运行期的动态组合来实现更灵活的功能。
结构型模式有：

• 适配器
• 桥接
• 组合
• 装饰器
• 外观
• 享元

• 代理

  1.适配器

  将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。
  适配器模式是Adapter，也称Wrapper，是指如果一个接口需要B接口，但是待传入的对象却是A接口，怎么办？这就需要一个适配器。
  我们已经有一个Task类，实现了Callable接口：

  public class Task implements Callable<Long> {
    private long num;
    public Task(long num) {
        this.num = num;
    }
    public Long call() throws Exception {
        long r = 0;
        for (long n = 1; n <= this.num; n++) {
            r = r + n;
        }
        System.out.println("Result: " + r);
        return r;
    }
  }

  现在，我们想通过一个线程去执行它：

  Callable<Long> callable = new Task(123450000L);
  Thread thread = new Thread(callable); // compile error!
  thread.start();

  发现编译不过！因为Thread接收Runnable接口，但不接收Callable接口，肿么办？
  一个办法是改写Task类，把实现的Callable改为Runnable，但这样做不好，因为Task很可能在其他地方作为Callable被引用，改写Task的接口，会导致其他正常工作的代码无法编译。
  另一个办法不用改写Task类，而是用一个Adapter，把这个Callable接口“变成”Runnable接口，这样，就可以正常编译：

  Callable<Long> callable = new Task(123450000L);
  Thread thread = new Thread(new RunnableAdapter(callable));
  thread.start();

  这个RunnableAdapter类就是Adapter，它接收一个Callable，输出一个Runnable。怎么实现这个RunnableAdapter呢？我们先看完整的代码：

  public class RunnableAdapter implements Runnable {
    // 引用待转换接口:
    private Callable<?> callable;
    public RunnableAdapter(Callable<?> callable) {
        this.callable = callable;
    }
    // 实现指定接口:
    public void run() {
        // 将指定接口调用委托给转换接口调用:
        try {
            callable.call();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
  }

  编写一个Adapter的步骤如下：

1. 实现目标接口，这里是Runnable；
2. 内部持有一个待转换接口的引用，这里是通过字段持有Callable接口；
3. 在目标接口的实现方法内部，调用待转换接口的方法。

这样一来，Thread就可以接收这个RunnableAdapter，因为它实现了Runnable接口。Thread作为调用方，它会调用RunnableAdapter的run()方法，在这个run()方法内部，又调用了Callable的call()方法，相当于Thread通过一层转换，间接调用了Callable的call()方法。
适配器模式在Java标准库中有广泛应用。比如我们持有数据类型是String[]，但是需要List接口时，可以用一个Adapter：

String[] exist = new String[] {"Good", "morning", "Bob", "and", "Alice"};
Set<String> set = new HashSet<>(Arrays.asList(exist));

注意到List Arrays.asList(T[])就相当于一个转换器，它可以把数组转换为List。
我们再看一个例子：假设我们持有一个InputStream，希望调用readText(Reader)方法，但它的参数类型是Reader而不是InputStream，怎么办？
当然是使用适配器，把InputStream“变成”Reader：

InputStream input = Files.newInputStream(Paths.get("/path/to/file"));
Reader reader = new InputStreamReader(input, "UTF-8");
readText(reader);

InputStreamReader就是Java标准库提供的Adapter，它负责把一个InputStream适配为Reader。类似的还有OutputStreamWriter。
如果我们把readText(Reader)方法参数从Reader改为FileReader，会有什么问题？这个时候，因为我们需要一个FileReader类型，就必须把InputStream适配为FileReader：

FileReader reader = new InputStreamReader(input, "UTF-8"); // compile error!

直接使用InputStreamReader这个Adapter是不行的，因为它只能转换出Reader接口。事实上，要把InputStream转换为FileReader也不是不可能，但需要花费十倍以上的功夫。这时，面向抽象编程这一原则就体现出了威力：持有高层接口不但代码更灵活，而且把各种接口组合起来也更容易。一旦持有某个具体的子类类型，要想做一些改动就非常困难。
Adapter模式可以将一个A接口转换为B接口，使得新的对象符合B接口规范。
编写Adapter实际上就是编写一个实现了B接口，并且内部持有A接口的类：

public BAdapter implements B {
    private A a;
    public BAdapter(A a) {
        this.a = a;
    }
    public void b() {
        a.a();
    }
}

在Adapter内部将B接口的调用“转换”为对A接口的调用。
只有A、B接口均为抽象接口时，才能非常简单地实现Adapter模式。

2.桥接

将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化。
桥接模式的定义非常玄乎，直接理解不太容易，所以我们还是举例子。
假设某个汽车厂商生产三种品牌的汽车：Big、Tiny和Boss，每种品牌又可以选择燃油、纯电和混合动力。如果用传统的继承来表示各个最终车型，一共有3个抽象类加9个最终子类：

如果要新增一个品牌，或者加一个新的引擎（比如核动力），那么子类的数量增长更快。
所以，桥接模式就是为了避免直接继承带来的子类爆炸。
我们来看看桥接模式如何解决上述问题。
在桥接模式中，首先把Car按品牌进行子类化，但是，每个品牌选择什么发动机，不再使用子类扩充，而是通过一个抽象的“修正”类，以组合的形式引入。我们来看看具体的实现。
首先定义抽象类Car，它引用一个Engine：

public abstract class Car {
    // 引用Engine:
    protected Engine engine;
    public Car(Engine engine) {
        this.engine = engine;
    }
    public abstract void drive();
}

Engine的定义如下：

public interface Engine {
    void start();
}

紧接着，在一个“修正”的抽象类RefinedCar中定义一些额外操作：

public abstract class RefinedCar extends Car {
    public RefinedCar(Engine engine) {
        super(engine);
    }
    public void drive() {
        this.engine.start();
        System.out.println("Drive " + getBrand() + " car...");
    }
    public abstract String getBrand();
}

这样一来，最终的不同品牌继承自RefinedCar，例如BossCar：

public class BossCar extends RefinedCar {
    public BossCar(Engine engine) {
        super(engine);
    }
    public String getBrand() {
        return "Boss";
    }
}

而针对每一种引擎，继承自Engine，例如HybridEngine：

public class HybridEngine implements Engine {
    public void start() {
        System.out.println("Start Hybrid Engine...");
    }
}

客户端通过自己选择一个品牌，再配合一种引擎，得到最终的Car：

RefinedCar car = new BossCar(new HybridEngine());
car.drive();

使用桥接模式的好处在于，如果要增加一种引擎，只需要针对Engine派生一个新的子类，如果要增加一个品牌，只需要针对RefinedCar派生一个子类，任何RefinedCar的子类都可以和任何一种Engine自由组合，即一辆汽车的两个维度：品牌和引擎都可以独立地变化。

桥接模式实现比较复杂，实际应用也非常少，但它提供的设计思想值得借鉴，即不要过度使用继承，而是优先拆分某些部件，使用组合的方式来扩展功能。
桥接模式通过分离一个抽象接口和它的实现部分，使得设计可以按两个维度独立扩展。

3.组合

将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。
组合模式（Composite）经常用于树形结构，为了简化代码，使用Composite可以把一个叶子节点与一个父节点统一起来处理。
我们来看一个具体的例子。在XML或HTML中，从根节点开始，每个节点都可能包含任意个其他节点，这些层层嵌套的节点就构成了一颗树。
要以树的结构表示XML，我们可以先抽象出节点类型Node：

public interface Node {
    // 添加一个节点为子节点:
    Node add(Node node);
    // 获取子节点:
    List<Node> children();
    // 输出为XML:
    String toXml();
}

对于一个这样的节点，我们称之为ElementNode，它可以作为容器包含多个子节点：

public class ElementNode implements Node {
    private String name;
    private List<Node> list = new ArrayList<>();
    public ElementNode(String name) {
        this.name = name;
    }
    public Node add(Node node) {
        list.add(node);
        return this;
    }
    public List<Node> children() {
        return list;
    }
    public String toXml() {
        String start = "<" + name + ">\n";
        String end = "</" + name + ">\n";
        StringJoiner sj = new StringJoiner("", start, end);
        list.forEach(node -> {
            sj.add(node.toXml() + "\n");
        });
        return sj.toString();
    }
}

对于普通文本，我们把它看作TextNode，它没有子节点：

public class TextNode implements Node {
    private String text;
    public TextNode(String text) {
        this.text = text;
    }
    public Node add(Node node) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public List<Node> children() {
        return List.of();
    }
    public String toXml() {
        return text;
    }
}

此外，还可以有注释节点：

public class CommentNode implements Node {
    private String text;
    public CommentNode(String text) {
        this.text = text;
    }
    public Node add(Node node) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public List<Node> children() {
        return List.of();
    }
    public String toXml() {
        return "<!-- " + text + " -->";
    }
}

通过ElementNode、TextNode和CommentNode，我们就可以构造出一颗树：

Node root = new ElementNode("school");
root.add(new ElementNode("classA")
        .add(new TextNode("Tom"))
        .add(new TextNode("Alice")));
root.add(new ElementNode("classB")
        .add(new TextNode("Bob"))
        .add(new TextNode("Grace"))
        .add(new CommentNode("comment...")));
System.out.println(root.toXml());

最后通过root节点输出的XML如下：

<school>
<classA>
Tom
Alice
</classA>
<classB>
Bob
Grace
<!-- comment... -->
</classB>
</school>

可见，使用Composite模式时，需要先统一单个节点以及“容器”节点的接口：

作为容器节点的ElementNode又可以添加任意个Node，这样就可以构成层级结构。
类似的，像文件夹和文件、GUI窗口的各种组件，都符合Composite模式的定义，因为它们的结构天生就是层级结构。
Composite模式使得叶子对象和容器对象具有一致性，从而形成统一的树形结构，并用一致的方式去处理它们。

4.装饰器

动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，相比生成子类更为灵活。
装饰器（Decorator）模式，是一种在运行期动态给某个对象的实例增加功能的方法。
在Java标准库中，InputStream是抽象类，FileInputStream、ServletInputStream、Socket.getInputStream()这些InputStream都是最终数据源。
现在，如果要给不同的最终数据源增加缓冲功能、计算签名功能、加密解密功能，那么，3个最终数据源、3种功能一共需要9个子类。如果继续增加最终数据源，或者增加新功能，子类会爆炸式增长，这种设计方式显然是不可取的。
Decorator模式的目的就是把一个一个的附加功能，用Decorator的方式给一层一层地累加到原始数据源上，最终，通过组合获得我们想要的功能。
例如：给FileInputStream增加缓冲和解压缩功能，用Decorator模式写出来如下：

// 创建原始的数据源:
InputStream fis = new FileInputStream("test.gz");
// 增加缓冲功能:
InputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
// 增加解压缩功能:
InputStream gis = new GZIPInputStream(bis);

或者一次性写成这样：

InputStream input = new GZIPInputStream( // 第二层装饰
                        new BufferedInputStream( // 第一层装饰
                            new FileInputStream("test.gz") // 核心功能
                        ));

观察BufferedInputStream和GZIPInputStream，它们实际上都是从FilterInputStream继承的，这个FilterInputStream就是一个抽象的Decorator。我们用图把Decorator模式画出来如下：

最顶层的Component是接口，对应到IO的就是InputStream这个抽象类。ComponentA、ComponentB是实际的子类，对应到IO的就是FileInputStream、ServletInputStream这些数据源。Decorator是用于实现各个附加功能的抽象装饰器，对应到IO的就是FilterInputStream。而从Decorator派生的就是一个一个的装饰器，它们每个都有独立的功能，对应到IO的就是BufferedInputStream、GZIPInputStream等。
Decorator模式有什么好处？它实际上把核心功能和附加功能给分开了。核心功能指FileInputStream这些真正读数据的源头，附加功能指加缓冲、压缩、解密这些功能。如果我们要新增核心功能，就增加Component的子类，例如ByteInputStream。如果我们要增加附加功能，就增加Decorator的子类，例如CipherInputStream。两部分都可以独立地扩展，而具体如何附加功能，由调用方自由组合，从而极大地增强了灵活性。
如果我们要自己设计完整的Decorator模式，应该如何设计？
假设我们需要渲染一个HTML的文本，但是文本还可以附加一些效果，比如加粗、变斜体、加下划线等。为了实现动态附加效果，可以采用Decorator模式。
首先，仍然需要定义顶层接口TextNode：

public interface TextNode {
    // 设置text:
    void setText(String text);
    // 获取text:
    String getText();
}

对于核心节点，例如，它需要从TextNode直接继承：

public class SpanNode implements TextNode {
    private String text;
    public void setText(String text) {
        this.text = text;
    }
    public String getText() {
        return "<span>" + text + "</span>";
    }
}

紧接着，为了实现Decorator模式，需要有一个抽象的Decorator类：

public abstract class NodeDecorator implements TextNode {
    protected final TextNode target;
    protected NodeDecorator(TextNode target) {
        this.target = target;
    }
    public void setText(String text) {
        this.target.setText(text);
    }
}

这个NodeDecorator类的核心是持有一个TextNode，即将要把功能附加到的TextNode实例。接下来就可以写一个加粗功能：

public class BoldDecorator extends NodeDecorator {
    public BoldDecorator(TextNode target) {
        super(target);
    }
    public String getText() {
        return "<b>" + target.getText() + "</b>";
    }
}

类似的，可以继续加ItalicDecorator、UnderlineDecorator等。客户端可以自由组合这些Decorator：

TextNode n1 = new SpanNode();
TextNode n2 = new BoldDecorator(new UnderlineDecorator(new SpanNode()));
TextNode n3 = new ItalicDecorator(new BoldDecorator(new SpanNode()));
n1.setText("Hello");
n2.setText("Decorated");
n3.setText("World");
System.out.println(n1.getText());
// 输出<span>Hello</span>
System.out.println(n2.getText());
// 输出<b><u><span>Decorated</span></u></b>
System.out.println(n3.getText());
// 输出<i><b><span>World</span></b></i>

使用Decorator模式，可以独立增加核心功能，也可以独立增加附加功能，二者互不影响；
可以在运行期动态地给核心功能增加任意个附加功能。

5.外观

为子系统中的一组接口提供一个一致的界面。Facade模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。
外观模式，即Facade，是一个比较简单的模式。它的基本思想如下：
如果客户端要跟许多子系统打交道，那么客户端需要了解各个子系统的接口，比较麻烦。如果有一个统一的“中介”，让客户端只跟中介打交道，中介再去跟各个子系统打交道，对客户端来说就比较简单。所以Facade就相当于搞了一个中介。
我们以注册公司为例，假设注册公司需要三步：

1. 向工商局申请公司营业执照；
2. 在银行开设账户；
3. 在税务局开设纳税号。

以下是三个系统的接口：

// 工商注册:
public class AdminOfIndustry {
    public Company register(String name) {
        ...
    }
}
// 银行开户:
public class Bank {
    public String openAccount(String companyId) {
        ...
    }
}
// 纳税登记:
public class Taxation {
    public String applyTaxCode(String companyId) {
        ...
    }
}

如果子系统比较复杂，并且客户对流程也不熟悉，那就把这些流程全部委托给中介：

public class Facade {
    public Company openCompany(String name) {
        Company c = this.admin.register(name);
        String bankAccount = this.bank.openAccount(c.getId());
        c.setBankAccount(bankAccount);
        String taxCode = this.taxation.applyTaxCode(c.getId());
        c.setTaxCode(taxCode);
        return c;
    }
}

这样，客户端只跟Facade打交道，一次完成公司注册的所有繁琐流程：

Company c = facade.openCompany("Facade Software Ltd.");

很多Web程序，内部有多个子系统提供服务，经常使用一个统一的Facade入口，例如一个RestApiController，使得外部用户调用的时候，只关心Facade提供的接口，不用管内部到底是哪个子系统处理的。
更复杂的Web程序，会有多个Web服务，这个时候，经常会使用一个统一的网关入口来自动转发到不同的Web服务，这种提供统一入口的网关就是Gateway，它本质上也是一个Facade，但可以附加一些用户认证、限流限速的额外服务。
Facade模式是为了给客户端提供一个统一入口，并对外屏蔽内部子系统的调用细节。

6.享元

运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
享元（Flyweight）的核心思想很简单：如果一个对象实例一经创建就不可变，那么反复创建相同的实例就没有必要，直接向调用方返回一个共享的实例就行，这样即节省内存，又可以减少创建对象的过程，提高运行速度。
享元模式在Java标准库中有很多应用。我们知道，包装类型如Byte、Integer都是不变类，因此，反复创建同一个值相同的包装类型是没有必要的。以Integer为例，如果我们通过Integer.valueOf()这个静态工厂方法创建Integer实例，当传入的int范围在-128~+127之间时，会直接返回缓存的Integer实例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Integer n1 = Integer.valueOf(100);
        Integer n2 = Integer.valueOf(100);
        System.out.println(n1 == n2); // true
    }
}

对于Byte来说，因为它一共只有256个状态，所以，通过Byte.valueOf()创建的Byte实例，全部都是缓存对象。
因此，享元模式就是通过工厂方法创建对象，在工厂方法内部，很可能返回缓存的实例，而不是新创建实例，从而实现不可变实例的复用。
总是使用工厂方法而不是new操作符创建实例，可获得享元模式的好处。
在实际应用中，享元模式主要应用于缓存，即客户端如果重复请求某些对象，不必每次查询数据库或者读取文件，而是直接返回内存中缓存的数据。
我们以Student为例，设计一个静态工厂方法，它在内部可以返回缓存的对象：

public class Student {
    // 持有缓存:
    private static final Map<String, Student> cache = new HashMap<>();
    // 静态工厂方法:
    public static Student create(int id, String name) {
        String key = id + "\n" + name;
        // 先查找缓存:
        Student std = cache.get(key);
        if (std == null) {
            // 未找到,创建新对象:
            System.out.println(String.format("create new Student(%s, %s)", id, name));
            std = new Student(id, name);
            // 放入缓存:
            cache.put(key, std);
        } else {
            // 缓存中存在:
            System.out.println(String.format("return cached Student(%s, %s)", std.id, std.name));
        }
        return std;
    }
    private final int id;
    private final String name;
    public Student(int id, String name) {
        this.id = id;
        this.name = name;
    }
}

在实际应用中，我们经常使用成熟的缓存库，例如Guava的Cache，因为它提供了最大缓存数量限制、定时过期等实用功能。
享元模式的设计思想是尽量复用已创建的对象，常用于工厂方法内部的优化。

7.代理

为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
代理模式，即Proxy，它和Adapter模式很类似。我们先回顾Adapter模式，它用于把A接口转换为B接口：

public class BAdapter implements B {
    private A a;
    public BAdapter(A a) {
        this.a = a;
    }
    public void b() {
        a.a();
    }
}

而Proxy模式不是把A接口转换成B接口，它还是转换成A接口：

public class AProxy implements A {
    private A a;
    public AProxy(A a) {
        this.a = a;
    }
    public void a() {
        this.a.a();
    }
}

观察Proxy的实现A接口的方法：

public void a() {
    this.a.a();
}

我们在调用a.a()的前后，加一些额外的代码：

public void a() {
    if (getCurrentUser().isRoot()) {
        this.a.a();
    } else {
        throw new SecurityException("Forbidden");
    }
}

这样一来，我们就实现了权限检查，只有符合要求的用户，才会真正调用目标方法，否则，会直接抛出异常。
我们编写代码的原则有：

• 职责清晰：一个类只负责一件事；
• 易于测试：一次只测一个功能。

用Proxy实现这个权限检查，我们可以获得更清晰、更简洁的代码：

• A接口：只定义接口；
• ABusiness类：只实现A接口的业务逻辑；
• APermissionProxy类：只实现A接口的权限检查代理。

如果我们希望编写其他类型的代理，可以继续增加类似ALogProxy，而不必对现有的A接口、ABusiness类进行修改。
实际上权限检查只是代理模式的一种应用。Proxy还广泛应用在：

1.远程代理

远程代理即Remote Proxy，本地的调用者持有的接口实际上是一个代理，这个代理负责把对接口的方法访问转换成远程调用，然后返回结果。Java内置的RMI机制就是一个完整的远程代理模式。

2.虚代理

虚代理即Virtual Proxy，它让调用者先持有一个代理对象，但真正的对象尚未创建。如果没有必要，这个真正的对象是不会被创建的，直到客户端需要真的必须调用时，才创建真正的对象。JDBC的连接池返回的JDBC连接（Connection对象）就可以是一个虚代理，即获取连接时根本没有任何实际的数据库连接，直到第一次执行JDBC查询或更新操作时，才真正创建实际的JDBC连接。

3.保护代理

保护代理即Protection Proxy，它用代理对象控制对原始对象的访问，常用于鉴权。

4.智能引用

智能引用即Smart Reference，它也是一种代理对象，如果有很多客户端对它进行访问，通过内部的计数器可以在外部调用者都不使用后自动释放它。
代理模式通过封装一个已有接口，并向调用方返回相同的接口类型，能让调用方在不改变任何代码的前提下增强某些功能（例如，鉴权、延迟加载、连接池复用等）。
使用Proxy模式要求调用方持有接口，作为Proxy的类也必须实现相同的接口类型。

3.行为型模式

行为型模式主要涉及算法和对象间的职责分配。通过使用对象组合，行为型模式可以描述一组对象应该如何协作来完成一个整体任务。
行为型模式有：

• 责任链
• 命令
• 解释器
• 迭代器
• 中介
• 备忘录
• 观察者
• 状态
• 策略
• 模板方法

• 访问者

  1.责任链

  使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。将这些对象连成一条链，并沿着这条链传递该请求，直到有一个对象处理它为止。
  责任链模式（Chain of Responsibility）是一种处理请求的模式，它让多个处理器都有机会处理该请求，直到其中某个处理成功为止。责任链模式把多个处理器串成链，然后让请求在链上传递：
  
  在实际场景中，财务审批就是一个责任链模式。假设某个员工需要报销一笔费用，审核者可以分为：

• Manager：只能审核1000元以下的报销；

• Director：只能审核10000元以下的报销；
• CEO：可以审核任意额度。

用责任链模式设计此报销流程时，每个审核者只关心自己责任范围内的请求，并且处理它。对于超出自己责任范围的，扔给下一个审核者处理，这样，将来继续添加审核者的时候，不用改动现有逻辑。
我们来看看如何实现责任链模式。
首先，我们要抽象出请求对象，它将在责任链上传递：

public class Request {
    private String name;
    private BigDecimal amount;
    public Request(String name, BigDecimal amount) {
        this.name = name;
        this.amount = amount;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public BigDecimal getAmount() {
        return amount;
    }
}

其次，我们要抽象出处理器：

public interface Handler {
    // 返回Boolean.TRUE = 成功
    // 返回Boolean.FALSE = 拒绝
    // 返回null = 交下一个处理
    Boolean process(Request request);
}

并且做好约定：如果返回Boolean.TRUE，表示处理成功，如果返回Boolean.FALSE，表示处理失败（请求被拒绝），如果返回null，则交由下一个Handler处理。
然后，依次编写ManagerHandler、DirectorHandler和CEOHandler。以ManagerHandler为例：

public class ManagerHandler implements Handler {
    public Boolean process(Request request) {
        // 如果超过1000元，处理不了，交下一个处理:
        if (request.getAmount().compareTo(BigDecimal.valueOf(1000)) > 0) {
            return null;
        }
        // 对Bob有偏见:
        return !request.getName().equalsIgnoreCase("bob");
    }
}

有了不同的Handler后，我们还要把这些Handler组合起来，变成一个链，并通过一个统一入口处理：

public class HandlerChain {
    // 持有所有Handler:
    private List<Handler> handlers = new ArrayList<>();
    public void addHandler(Handler handler) {
        this.handlers.add(handler);
    }
    public boolean process(Request request) {
        // 依次调用每个Handler:
        for (Handler handler : handlers) {
            Boolean r = handler.process(request);
            if (r != null) {
                // 如果返回TRUE或FALSE，处理结束:
                System.out.println(request + " " + (r ? "Approved by " : "Denied by ") + handler.getClass().getSimpleName());
                return r;
            }
        }
        throw new RuntimeException("Could not handle request: " + request);
    }
}

现在，我们就可以在客户端组装出责任链，然后用责任链来处理请求：

// 构造责任链:
HandlerChain chain = new HandlerChain();
chain.addHandler(new ManagerHandler());
chain.addHandler(new DirectorHandler());
chain.addHandler(new CEOHandler());
// 处理请求:
chain.process(new Request("Bob", new BigDecimal("123.45")));
chain.process(new Request("Alice", new BigDecimal("1234.56")));
chain.process(new Request("Bill", new BigDecimal("12345.67")));
chain.process(new Request("John", new BigDecimal("123456.78")));

责任链模式本身很容易理解，需要注意的是，Handler添加的顺序很重要，如果顺序不对，处理的结果可能就不是符合要求的。
此外，责任链模式有很多变种。有些责任链的实现方式是通过某个Handler手动调用下一个Handler来传递Request，例如：

public class AHandler implements Handler {
    private Handler next;
    public void process(Request request) {
        if (!canProcess(request)) {
            // 手动交给下一个Handler处理:
            next.process(request);
        } else {
            ...
        }
    }
}

还有一些责任链模式，每个Handler都有机会处理Request，通常这种责任链被称为拦截器（Interceptor）或者过滤器（Filter），它的目的不是找到某个Handler处理掉Request，而是每个Handler都做一些工作，比如：

• 记录日志；
• 检查权限；
• 准备相关资源；
• …

例如，JavaEE的Servlet规范定义的Filter就是一种责任链模式，它不但允许每个Filter都有机会处理请求，还允许每个Filter决定是否将请求“放行”给下一个Filter：

public class AuditFilter implements Filter {
    public void doFilter(ServletRequest req, ServletResponse resp, FilterChain chain) throws IOException, ServletException {
        log(req);
        if (check(req)) {
            // 放行:
            chain.doFilter(req, resp);
        } else {
            // 拒绝:
            sendError(resp);
        }
    }
}

这种模式不但允许一个Filter自行决定处理ServletRequest和ServletResponse，还可以“伪造”ServletRequest和ServletResponse以便让下一个Filter处理，能实现非常复杂的功能。
责任链模式是一种把多个处理器组合在一起，依次处理请求的模式；
责任链模式的好处是添加新的处理器或者重新排列处理器非常容易；
责任链模式经常用在拦截、预处理请求等。

2.命令

将一个请求封装为一个对象，从而使你可用不同的请求对客户进行参数化，对请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销的操作。
命令模式（Command）是指，把请求封装成一个命令，然后执行该命令。
在使用命令模式前，我们先以一个编辑器为例子，看看如何实现简单的编辑操作：

public class TextEditor {
    private StringBuilder buffer = new StringBuilder();
    public void copy() {
        ...
    }
    public void paste() {
        String text = getFromClipBoard();
        add(text);
    }
    public void add(String s) {
        buffer.append(s);
    }
    public void delete() {
        if (buffer.length() > 0) {
            buffer.deleteCharAt(buffer.length() - 1);
        }
    }
    public String getState() {
        return buffer.toString();
    }
}

我们用一个StringBuilder模拟一个文本编辑器，它支持copy()、paste()、add()、delete()等方法。
正常情况，我们像这样调用TextEditor：

TextEditor editor = new TextEditor();
editor.add("Command pattern in text editor.\n");
editor.copy();
editor.paste();
System.out.println(editor.getState());

这是直接调用方法，调用方需要了解TextEditor的所有接口信息。
如果改用命令模式，我们就要把调用方发送命令和执行方执行命令分开。怎么分？
解决方案是引入一个Command接口：

public interface Command {
    void execute();
}

调用方创建一个对应的Command，然后执行，并不关心内部是如何具体执行的。
为了支持CopyCommand和PasteCommand这两个命令，我们从Command接口派生：

public class CopyCommand implements Command {
    // 持有执行者对象:
    private TextEditor receiver;
    public CopyCommand(TextEditor receiver) {
        this.receiver = receiver;
    }
    public void execute() {
        receiver.copy();
    }
}
public class PasteCommand implements Command {
    private TextEditor receiver;
    public PasteCommand(TextEditor receiver) {
        this.receiver = receiver;
    }
    public void execute() {
        receiver.paste();
    }
}

最后我们把Command和TextEditor组装一下，客户端这么写：

TextEditor editor = new TextEditor();
editor.add("Command pattern in text editor.\n");
// 执行一个CopyCommand:
Command copy = new CopyCommand(editor);
copy.execute();
editor.add("----\n");
// 执行一个PasteCommand:
Command paste = new PasteCommand(editor);
paste.execute();
System.out.println(editor.getState());

这就是命令模式的结构：

实际上，使用命令模式，确实增加了系统的复杂度。如果需求很简单，那么直接调用显然更直观而且更简单。
那么我们还需要命令模式吗？
答案是视需求而定。如果TextEditor复杂到一定程度，并且需要支持Undo、Redo的功能时，就需要使用命令模式，因为我们可以给每个命令增加undo()：

public interface Command {
    void execute();
    void undo();
}

然后把执行的一系列命令用List保存起来，就既能支持Undo，又能支持Redo。这个时候，我们又需要一个Invoker对象，负责执行命令并保存历史命令：

可见，模式带来的设计复杂度的增加是随着需求而增加的，它减少的是系统各组件的耦合度。
命令模式的设计思想是把命令的创建和执行分离，使得调用者无需关心具体的执行过程。
通过封装Command对象，命令模式可以保存已执行的命令，从而支持撤销、重做等操作。

3.解释器

给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。
解释器模式（Interpreter）是一种针对特定问题设计的一种解决方案。例如，匹配字符串的时候，由于匹配条件非常灵活，使得通过代码来实现非常不灵活。举个例子，针对以下的匹配条件：

• 以+开头的数字表示的区号和电话号码，如+861012345678；
• 以英文开头，后接英文和数字，并以.分隔的域名，如www.liaoxuefeng.com；
• 以/开头的文件路径，如/path/to/file.txt；
• …

因此，需要一种通用的表示方法——正则表达式来进行匹配。正则表达式就是一个字符串，但要把正则表达式解析为语法树，然后再匹配指定的字符串，就需要一个解释器。
实现一个完整的正则表达式的解释器非常复杂，但是使用解释器模式却很简单：

String s = "+861012345678";
System.out.println(s.matches("^\\+\\d+$"));

类似的，当我们使用JDBC时，执行的SQL语句虽然是字符串，但最终需要数据库服务器的SQL解释器来把SQL“翻译”成数据库服务器能执行的代码，这个执行引擎也非常复杂，但对于使用者来说，仅仅需要写出SQL字符串即可。
解释器模式通过抽象语法树实现对用户输入的解释执行。
解释器模式的实现通常非常复杂，且一般只能解决一类特定问题。

4.迭代器

提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而又不需要暴露该对象的内部表示。
迭代器模式（Iterator）实际上在Java的集合类中已经广泛使用了。我们以List为例，要遍历ArrayList，即使我们知道它的内部存储了一个Object[]数组，也不应该直接使用数组索引去遍历，因为这样需要了解集合内部的存储结构。如果使用Iterator遍历，那么，ArrayList和LinkedList都可以以一种统一的接口来遍历：

List<String> list = ...
for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
    String s = it.next();
}

实际上，因为Iterator模式十分有用，因此，Java允许我们直接把任何支持Iterator的集合对象用foreach循环写出来：

List<String> list = ...
for (String s : list) {
}

然后由Java编译器完成Iterator模式的所有循环代码。
虽然我们对如何使用Iterator有了一定了解，但如何实现一个Iterator模式呢？我们以一个自定义的集合为例，通过Iterator模式实现倒序遍历：

public class ReverseArrayCollection<T> implements Iterable<T> {
    // 以数组形式持有集合:
    private T[] array;
    public ReverseArrayCollection(T... objs) {
        this.array = Arrays.copyOfRange(objs, 0, objs.length);
    }
    public Iterator<T> iterator() {
        return ???;
    }
}

实现Iterator模式的关键是返回一个Iterator对象，该对象知道集合的内部结构，因为它可以实现倒序遍历。我们使用Java的内部类实现这个Iterator：

public class ReverseArrayCollection<T> implements Iterable<T> {
    private T[] array;
    public ReverseArrayCollection(T... objs) {
        this.array = Arrays.copyOfRange(objs, 0, objs.length);
    }
    public Iterator<T> iterator() {
        return new ReverseIterator();
    }
    class ReverseIterator implements Iterator<T> {
        // 索引位置:
        int index;
        public ReverseIterator() {
            // 创建Iterator时,索引在数组末尾:
            this.index = ReverseArrayCollection.this.array.length;
        }
        public boolean hasNext() {
            // 如果索引大于0,那么可以移动到下一个元素(倒序往前移动):
            return index > 0;
        }
        public T next() {
            // 将索引移动到下一个元素并返回(倒序往前移动):
            index--;
            return array[index];
        }
    }
}

使用内部类的好处是内部类隐含地持有一个它所在对象的this引用，可以通过ReverseArrayCollection.this引用到它所在的集合。上述代码实现的逻辑非常简单，但是实际应用时，如果考虑到多线程访问，当一个线程正在迭代某个集合，而另一个线程修改了集合的内容时，是否能继续安全地迭代，还是抛出ConcurrentModificationException，就需要更仔细地设计。
Iterator模式常用于遍历集合，它允许集合提供一个统一的Iterator接口来遍历元素，同时保证调用者对集合内部的数据结构一无所知，从而使得调用者总是以相同的接口遍历各种不同类型的集合。

5.中介

用一个中介对象来封装一系列的对象交互。中介者使各个对象不需要显式地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。
中介模式（Mediator）又称调停者模式，它的目的是把多方会谈变成双方会谈，从而实现多方的松耦合。
Mediator模式经常用在有众多交互组件的UI上。为了简化UI程序，MVC模式以及MVVM模式都可以看作是Mediator模式的扩展。
中介模式是通过引入一个中介对象，把多边关系变成多个双边关系，从而简化系统组件的交互耦合度。

6.备忘录

在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。
备忘录模式（Memento），主要用于捕获一个对象的内部状态，以便在将来的某个时候恢复此状态。
其实我们使用的几乎所有软件都用到了备忘录模式。最简单的备忘录模式就是保存到文件，打开文件。对于文本编辑器来说，保存就是把TextEditor类的字符串存储到文件，打开就是恢复TextEditor类的状态。对于图像编辑器来说，原理是一样的，只是保存和恢复的数据格式比较复杂而已。Java的序列化也可以看作是备忘录模式。
在使用文本编辑器的时候，我们还经常使用Undo、Redo这些功能。这些其实也可以用备忘录模式实现，即不定期地把TextEditor类的字符串复制一份存起来，这样就可以Undo或Redo。
标准的备忘录模式有这么几种角色：

• Memonto：存储的内部状态；
• Originator：创建一个备忘录并设置其状态；
• Caretaker：负责保存备忘录。

实际上我们在使用备忘录模式的时候，不必设计得这么复杂，只需要对类似TextEditor的类，增加getState()和setState()就可以了。
我们以一个文本编辑器TextEditor为例，它内部使用StringBuilder允许用户增删字符：

public class TextEditor {
    private StringBuilder buffer = new StringBuilder();
    public void add(char ch) {
        buffer.append(ch);
    }
    public void add(String s) {
        buffer.append(s);
    }
    public void delete() {
        if (buffer.length() > 0) {
            buffer.deleteCharAt(buffer.length() - 1);
        }
    }
}

为了支持这个TextEditor能保存和恢复状态，我们增加getState()和setState()两个方法：

public class TextEditor {
    ...
    // 获取状态:
    public String getState() {
        return buffer.toString();
    }
    // 恢复状态:
    public void setState(String state) {
        this.buffer.delete(0, this.buffer.length());
        this.buffer.append(state);
    }
}

对这个简单的文本编辑器，用一个String就可以表示其状态，对于复杂的对象模型，通常我们会使用JSON、XML等复杂格式。
备忘录模式是为了保存对象的内部状态，并在将来恢复，大多数软件提供的保存、打开，以及编辑过程中的Undo、Redo都是备忘录模式的应用。

7.观察者

定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。
观察者模式（Observer）又称发布-订阅模式（Publish-Subscribe：Pub/Sub）。它是一种通知机制，让发送通知的一方（被观察方）和接收通知的一方（观察者）能彼此分离，互不影响。
要理解观察者模式，我们还是看例子。
假设一个电商网站，有多种Product（商品），同时，Customer（消费者）和Admin（管理员）对商品上架、价格改变都感兴趣，希望能第一时间获得通知。于是，Store（商场）可以这么写：

public class Store {
    Customer customer;
    Admin admin;
    private Map<String, Product> products = new HashMap<>();
    public void addNewProduct(String name, double price) {
        Product p = new Product(name, price);
        products.put(p.getName(), p);
        // 通知用户:
        customer.onPublished(p);
        // 通知管理员:
        admin.onPublished(p);
    }
    public void setProductPrice(String name, double price) {
        Product p = products.get(name);
        p.setPrice(price);
        // 通知用户:
        customer.onPriceChanged(p);
        // 通知管理员:
        admin.onPriceChanged(p);
    }
}

我们观察上述Store类的问题：它直接引用了Customer和Admin。先不考虑多个Customer或多个Admin的问题，上述Store类最大的问题是，如果要加一个新的观察者类型，例如工商局管理员，Store类就必须继续改动。
因此，上述问题的本质是Store希望发送通知给那些关心Product的对象，但Store并不想知道这些人是谁。观察者模式就是要分离被观察者和观察者之间的耦合关系。
要实现这一目标也很简单，Store不能直接引用Customer和Admin，相反，它引用一个ProductObserver接口，任何人想要观察Store，只要实现该接口，并且把自己注册到Store即可：

public class Store {
    private List<ProductObserver> observers = new ArrayList<>();
    private Map<String, Product> products = new HashMap<>();
    // 注册观察者:
    public void addObserver(ProductObserver observer) {
        this.observers.add(observer);
    }
    // 取消注册:
    public void removeObserver(ProductObserver observer) {
        this.observers.remove(observer);
    }
    public void addNewProduct(String name, double price) {
        Product p = new Product(name, price);
        products.put(p.getName(), p);
        // 通知观察者:
        observers.forEach(o -> o.onPublished(p));
    }
    public void setProductPrice(String name, double price) {
        Product p = products.get(name);
        p.setPrice(price);
        // 通知观察者:
        observers.forEach(o -> o.onPriceChanged(p));
    }
}