title: 设计模式-结构型
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author: 张文军
date: 2021-05-19 21:01:08
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  • 适配器模式
  • 桥接模式
  • 装饰模式
  • 组合模式
  • 外观模式
  • 享元模式
  • 代理模式
    category:
  • 设计模式
    summary: 7种结构型模式 ：适配器模式、桥接模式、 装饰模式 、组合模式、外观模式、享元模式、 代理模式

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锁清秋

结构型模式概述

结构型模式描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构。它分为类结构型模式和对象结构型模式，前者采用继承机制来组织接口和类，后者釆用组合或聚合来组合对象。
由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象结构型模式比类结构型模式具有更大的灵活性。
结构型模式分为以下 7 种：

  1. 代理（Proxy）模式：为某对象提供一种代理以控制对该对象的访问。即客户端通过代理间接地访问该对象，从而限制、增强或修改该对象的一些特性。
  2. 适配器（Adapter）模式：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能一起工作。
  3. 桥接（Bridge）模式：将抽象与实现分离，使它们可以独立变化。它是用组合关系代替继承关系来实现的，从而降低了抽象和实现这两个可变维度的耦合度。
  4. 装饰（Decorator）模式：动态地给对象增加一些职责，即增加其额外的功能。
  5. 外观（Facade）模式：为多个复杂的子系统提供一个一致的接口，使这些子系统更加容易被访问。
  6. 享元（Flyweight）模式：运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。
  7. 组合（Composite）模式：将对象组合成树状层次结构，使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性。

    1. 适配器（Adapter）模式

适配器模式（Adapter）的定义：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能一起工作。

适配器模式主要分为三类:类适配器模式、对象适配器模式、接口适配器模式。

该模式的主要优点如下。

  • 客户端通过适配器可以透明地调用目标接口。
  • 复用了现存的类，程序员不需要修改原有代码而重用现有的适配者类。
  • 将目标类和适配者类解耦，解决了目标类和适配者类接口不一致的问题。

  • 在很多业务场景中符合开闭原则。

    其缺点是：

  • 适配器编写过程需要结合业务场景全面考虑，可能会增加系统的复杂性。

  • 增加代码阅读难度，降低代码可读性，过多使用适配器会使系统代码变得凌乱。

    模式的结构与实现

    类适配器模式可采用多重继承方式实现，如 C++可定义一个适配器类来同时继承当前系统的业务接口和现有组件库中已经存在的组件接口；Java不支持多继承，但可以定义一个适配器类来实现当前系统的业务接口，同时又继承现有组件库中已经存在的组件。
    对象适配器模式可釆用将现有组件库中已经实现的组件引入适配器类中，该类同时实现当前系统的业务接口。现在来介绍它们的基本结构。

    模式的结构

    适配器模式（Adapter）包含以下主要角色。
  1. 目标（Target）接口：当前系统业务所期待的接口，它可以是抽象类或接口。
  2. 适配者（Adaptee）类：它是被访问和适配的现存组件库中的组件接口。
  3. 适配器（Adapter）类：它是一个转换器，通过继承或引用适配者的对象，把适配者接口转换成目标接口，让客户按目标接口的格式访问适配者。

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2. 桥接（Bridge）模式

桥接（Bridge）模式的定义如下：将抽象与实现分离，使它们可以独立变化。它是用组合关系代替继承关系来实现，从而降低了抽象和实现这两个可变维度的耦合度。

桥接模式遵循了里氏替换原则和依赖倒置原则，最终实现了开闭原则，对修改关闭，对扩展开放。

桥接（Bridge）模式的优点是：

  • 抽象与实现分离，扩展能力强
  • 符合开闭原则
  • 符合合成复用原则
  • 其实现细节对客户透明

缺点是：由于聚合关系建立在抽象层，要求开发者针对抽象化进行设计与编程，能正确地识别出系统中两个独立变化的维度，这增加了系统的理解与设计难度。

桥接模式的结构与实现

可以将抽象化部分与实现化部分分开，取消二者的继承关系，改用组合关系。

模式的结构

桥接（Bridge）模式包含以下主要角色。

  1. 抽象化（Abstraction）角色：定义抽象类，并包含一个对实现化对象的引用。
  2. 扩展抽象化（Refined Abstraction）角色：是抽象化角色的子类，实现父类中的业务方法，并通过组合关系调用实现化角色中的业务方法。
  3. 实现化（Implementor）角色：定义实现化角色的接口，供扩展抽象化角色调用。
  4. 具体实现化（Concrete Implementor）角色：给出实现化角色接口的具体实现。

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3. 装饰（Decorator）模式

装饰器（Decorator）模式的定义：指在不改变现有对象结构的情况下，动态地给该对象增加一些职责（即增加其额外功能）的模式，它属于对象结构型模式。

装饰器模式的主要优点有：

  • 装饰器是继承的有力补充，比继承灵活，在不改变原有对象的情况下，动态的给一个对象扩展功能，即插即用
  • 通过使用不用装饰类及这些装饰类的排列组合，可以实现不同效果
  • 装饰器模式完全遵守开闭原则

其主要缺点是：装饰器模式会增加许多子类，过度使用会增加程序得复杂性。

装饰器模式的结构与实现

通常情况下，扩展一个类的功能会使用继承方式来实现。但继承具有静态特征，耦合度高，并且随着扩展功能的增多，子类会很膨胀。如果使用组合关系来创建一个包装对象（即装饰对象）来包裹真实对象，并在保持真实对象的类结构不变的前提下，为其提供额外的功能，这就是装饰器模式的目标。下面来分析其基本结构和实现方法。

模式的结构

装饰器模式主要包含以下角色。

  1. 抽象构件（Component）角色：定义一个抽象接口以规范准备接收附加责任的对象。
  2. 具体构件（ConcreteComponent）角色：实现抽象构件，通过装饰角色为其添加一些职责。
  3. 抽象装饰（Decorator）角色：继承抽象构件，并包含具体构件的实例，可以通过其子类扩展具体构件的功能。
  4. 具体装饰（ConcreteDecorator）角色：实现抽象装饰的相关方法，并给具体构件对象添加附加的责任。

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4. 组合（Composite）模式

组合（Composite Pattern）模式的定义：有时又叫作整体-部分（Part-Whole）模式，它是一种将对象组合成树状的层次结构的模式，用来表示“整体-部分”的关系，使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性，属于结构型设计模式。

组合模式一般用来描述整体与部分的关系，它将对象组织到树形结构中，顶层的节点被称为根节点，根节点下面可以包含树枝节点和叶子节点，树枝节点下面又可以包含树枝节点和叶子节点，树形结构图如下。
组合模式树形结构图
由上图可以看出，其实根节点和树枝节点本质上属于同一种数据类型，可以作为容器使用；而叶子节点与树枝节点在语义上不属于用一种类型。但是在组合模式中，会把树枝节点和叶子节点看作属于同一种数据类型（用统一接口定义），让它们具备一致行为。
这样，在组合模式中，整个树形结构中的对象都属于同一种类型，带来的好处就是用户不需要辨别是树枝节点还是叶子节点，可以直接进行操作，给用户的使用带来极大的便利。
组合模式的主要优点有：

  1. 组合模式使得客户端代码可以一致地处理单个对象和组合对象，无须关心自己处理的是单个对象，还是组合对象，这简化了客户端代码；
  2. 更容易在组合体内加入新的对象，客户端不会因为加入了新的对象而更改源代码，满足“开闭原则”；

其主要缺点是：

  1. 设计较复杂，客户端需要花更多时间理清类之间的层次关系；
  2. 不容易限制容器中的构件；

  3. 不容易用继承的方法来增加构件的新功能；

    组合模式的结构与实现

    组合模式的结构不是很复杂，下面对它的结构和实现进行分析。

    模式的结构

    组合模式包含以下主要角色。

  4. 抽象构件（Component）角色：它的主要作用是为树叶构件和树枝构件声明公共接口，并实现它们的默认行为。在透明式的组合模式中抽象构件还声明访问和管理子类的接口；在安全式的组合模式中不声明访问和管理子类的接口，管理工作由树枝构件完成。（总的抽象类或接口，定义一些通用的方法，比如新增、删除）

  5. 树叶构件（Leaf）角色：是组合中的叶节点对象，它没有子节点，用于继承或实现抽象构件。
  6. 树枝构件（Composite）角色 / 中间构件：是组合中的分支节点对象，它有子节点，用于继承和实现抽象构件。它的主要作用是存储和管理子部件，通常包含 Add()、Remove()、GetChild() 等方法。

组合模式分为透明式的组合模式和安全式的组合模式。
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5. 外观（Facade）模式

外观（Facade）模式又叫作门面模式，是一种通过为多个复杂的子系统提供一个一致的接口，而使这些子系统更加容易被访问的模式。该模式对外有一个统一接口，外部应用程序不用关心内部子系统的具体细节，这样会大大降低应用程序的复杂度，提高了程序的可维护性。

在日常编码工作中，我们都在有意无意的大量使用外观模式。只要是高层模块需要调度多个子系统（2个以上的类对象），我们都会自觉地创建一个新的类封装这些子系统，提供精简的接口，让高层模块可以更加容易地间接调用这些子系统的功能。尤其是现阶段各种第三方SDK、开源类库，很大概率都会使用外观模式。
外观（Facade）模式是“迪米特法则”的典型应用，它有以下主要优点。

  1. 降低了子系统与客户端之间的耦合度，使得子系统的变化不会影响调用它的客户类。
  2. 对客户屏蔽了子系统组件，减少了客户处理的对象数目，并使得子系统使用起来更加容易。
  3. 降低了大型软件系统中的编译依赖性，简化了系统在不同平台之间的移植过程，因为编译一个子系统不会影响其他的子系统，也不会影响外观对象。

外观（Facade）模式的主要缺点如下。

  1. 不能很好地限制客户使用子系统类，很容易带来未知风险。

  2. 增加新的子系统可能需要修改外观类或客户端的源代码，违背了“开闭原则”

    外观模式的结构与实现

    外观（Facade）模式的结构比较简单，主要是定义了一个高层接口。它包含了对各个子系统的引用，客户端可以通过它访问各个子系统的功能。现在来分析其基本结构和实现方法。

    模式的结构

    外观（Facade）模式包含以下主要角色。

  3. 外观（Facade）角色：为多个子系统对外提供一个共同的接口。

  4. 子系统（Sub System）角色：实现系统的部分功能，客户可以通过外观角色访问它。
  5. 客户（Client）角色：通过一个外观角色访问各个子系统的功能。

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6. 享元模式（Flyweight）

享元（Flyweight）模式的定义：运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。它通过共享已经存在的对象来大幅度减少需要创建的对象数量、避免大量相似类的开销，从而提高系统资源的利用率。

享元模式的主要优点是：相同对象只要保存一份，这降低了系统中对象的数量，从而降低了系统中细粒度对象给内存带来的压力。
其主要缺点是：

  1. 为了使对象可以共享，需要将一些不能共享的状态外部化，这将增加程序的复杂性。
  2. 读取享元模式的外部状态会使得运行时间稍微变长。

    享元模式的结构与实现

    享元模式的定义提出了两个要求，细粒度和共享对象。因为要求细粒度，所以不可避免地会使对象数量多且性质相近，此时我们就将这些对象的信息分为两个部分：内部状态和外部状态。
  • 内部状态指对象共享出来的信息，存储在享元信息内部，并且不回随环境的改变而改变；
  • 外部状态指对象得以依赖的一个标记，随环境的改变而改变，不可共享。

比如，连接池中的连接对象，保存在连接对象中的用户名、密码、连接URL等信息，在创建对象的时候就设置好了，不会随环境的改变而改变，这些为内部状态。而当每个连接要被回收利用时，我们需要将它标记为可用状态，这些为外部状态。
享元模式的本质是缓存共享对象，降低内存消耗。

模式的结构

享元模式的主要角色有如下。

  1. 抽象享元角色（Flyweight）：是所有的具体享元类的基类，为具体享元规范需要实现的公共接口，非享元的外部状态以参数的形式通过方法传入。
  2. 具体享元（Concrete Flyweight）角色：实现抽象享元角色中所规定的接口。
  3. 非享元（Unsharable Flyweight)角色：是不可以共享的外部状态，它以参数的形式注入具体享元的相关方法中。
  4. 享元工厂（Flyweight Factory）角色：负责创建和管理享元角色。当客户对象请求一个享元对象时，享元工厂检査系统中是否存在符合要求的享元对象，如果存在则提供给客户；如果不存在的话，则创建一个新的享元对象。

享元模式的结构图
【例1】享元模式在五子棋游戏中的应用。
分析：五子棋同围棋一样，包含多个“黑”或“白”颜色的棋子，所以用享元模式比较好。
本实例中:

  • 棋子（ChessPieces）类是抽象享元角色，它包含了一个落子的 DownPieces(Graphics g,Point pt) 方法；
  • 白子（WhitePieces）和黑子（BlackPieces）类是具体享元角色，它实现了落子方法；
  • Point 是非享元角色，它指定了落子的位置；
  • WeiqiFactory 是享元工厂角色，它通过 ArrayList 来管理棋子，并且提供了获取白子或者黑子的 getChessPieces(String type) 方法；
  • 客户类（Chessboard）利用 Graphics 组件在框架窗体中绘制一个棋盘，并实现 mouseClicked(MouseEvent e) 事件处理方法，该方法根据用户的选择从享元工厂中获取白子或者黑子并落在棋盘上。

五子棋游戏的结构图

享元模式的应用场景

当系统中多处需要同一组信息时，可以把这些信息封装到一个对象中，然后对该对象进行缓存，这样，一个对象就可以提供给多出需要使用的地方，避免大量同一对象的多次创建，降低大量内存空间的消耗。
享元模式其实是工厂方法模式的一个改进机制，享元模式同样要求创建一个或一组对象，并且就是通过工厂方法模式生成对象的，只不过享元模式为工厂方法模式增加了缓存这一功能。
前面分析了享元模式的结构与特点，下面分析它适用的应用场景。享元模式是通过减少内存中对象的数量来节省内存空间的，所以以下几种情形适合采用享元模式。

  1. 系统中存在大量相同或相似的对象，这些对象耗费大量的内存资源。
  2. 大部分的对象可以按照内部状态进行分组，且可将不同部分外部化，这样每一个组只需保存一个内部状态。
  3. 由于享元模式需要额外维护一个保存享元数据结构，所以应当在有足够多的享元实例时才值得使用享元模式。

    7. 代理（Proxy）模式

代理模式的定义：由于某些原因需要给某对象提供一个代理以控制对该对象的访问。这时，访问对象不适合或者不能直接引用目标对象，代理对象作为访问对象和目标对象之间的中介。

代理模式的主要优点有：

  • 代理模式在客户端与目标对象之间起到一个中介作用和保护目标对象的作用；
  • 代理对象可以扩展目标对象的功能；
  • 代理模式能将客户端与目标对象分离，在一定程度上降低了系统的耦合度，增加了程序的可扩展性

其主要缺点是：

  • 代理模式会造成系统设计中类的数量增加
  • 在客户端和目标对象之间增加一个代理对象，会造成请求处理速度变慢；
  • 增加了系统的复杂度；

    代理模式的结构与实现

    代理模式的结构比较简单，主要是通过定义一个继承抽象主题的代理来包含真实主题，从而实现对真实主题的访问，下面来分析其基本结构和实现方法。

    模式的结构

    代理模式的主要角色如下。
  1. 抽象主题（Subject）类：通过接口或抽象类声明真实主题和代理对象实现的业务方法。
  2. 真实主题（Real Subject）类：实现了抽象主题中的具体业务，是代理对象所代表的真实对象，是最终要引用的对象。
  3. 代理（Proxy）类：提供了与真实主题相同的接口，其内部含有对真实主题的引用，它可以访问、控制或扩展真实主题的功能

代理模式的结构图
在代码中，一般代理会被理解为代码增强，实际上就是在原代码逻辑前后增加一些代码逻辑，而使调用者无感知。
根据代理的创建时期，代理模式分为静态代理和动态代理。

  • 静态：
  • 由程序员创建代理类或特定工具自动生成源代码再对其编译，在程序运行前代理类的 .class 文件就已经存在了。
  • 静态代理在使用时需要定义接口或者父类 被代理对象即目标对象与代理对象一起实现相同的接口或者是继承相同父类。
  • 动态：
  • 在程序运行时，运用反射机制动态创建而成
  • 代理对象不需要实现接口，但是目标对象要实现接口否则不能用动态代理
  • 代理对象的生成是利用 JDK 的 API ，动态的在内存中构建代理对象
  • 动 态代理也叫做 JDK 代理 、 接口代理

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Cglib代理

Cglib动态代理模式:

  • 静态代理和JDK代理模式都要求目标对象是实现一个接口但是有时候目标对象只是一个单独的对象并没有实现任何的接口这个时候可使用目标对象子类来实现代理这就是Cglib代理
  • Cglib代理也叫作子类代理它是在内存中构建一个子类对象从而实现对目标对象功能扩展。
  • Cglib是一个强大的高性能的代码生成包它可以在运行期扩展java类与实现java接口它广泛的被许多AOP的框架使用例如SpringAOP实现方法拦截
  • 在AOP编程中如何选择代理模式：
  • 目标对象需要实现接口用JDK代理
  • 目标对象不需要实现接口用Cglib代理
  • Cglib包的底层是通过使用字节码处理框架ASM来转换字节码并生成新的类

    总结

    结构型模式（Structural Pattern）描述如何将类或者对象结合在一起形成更大的结构，就像搭积木， 可以通过简单积木的组合形成复杂的、功能更为强大的结构。结构型模式可以分为类结构型模式和对象结构型模式，也可分为代理模式（Proxy）、适配器模式（Adapter）、桥接模式（Bridge）、装饰模式 （Decorator ）、外观模式（Facade）、享元模式（Flyweight）和组合模式（Composite）等 7 类。