23种java设计模式介绍(原理、优缺点、应用场景)

在当今的软件开发领域，设计模式已经成为了提升代码质量、增强软件可维护性的重要工具。Java作为一门广泛使用的编程语言，其丰富的设计模式应用为开发者们提供了许多解决问题的高效方案。本文将介绍23种常见的Java设计模式，深入探讨它们的原理、优缺点以及应用场景，帮助读者更好地理解和运用这些模式。

1. 单例（Singleton）模式

这是一种确保类仅有一个实例，并提供全局访问点的设计模式。单例模式的优点在于节省资源，避免频繁地创建和销毁对象，特别是在系统资源有限的情况下。但其缺点也很明显，比如难以测试，因为全局的状态可能导致多个模块之间产生隐含的耦合。通常，这种模式适用于需要频繁创建和销毁的对象，以减少系统资源的开销。

1. 工厂方法（Factory Method）模式

工厂方法模式提供了一种在不指定具体类的情况下创建对象的方式。这种模式的优点是增加新的具体产品类时，无需修改原工厂类，符合“开闭原则”。不过，它的缺点是增加了系统的复杂性。例如，在处理大量产品时，工厂类的代码可能会变得过于复杂。此模式常用于系统有大量相似或者相关类的情况，且这些类的具体类型在运行时才能确定。

1. 建造者（Builder）模式

建造者模式则允许将一个复杂对象的构建与它的表示分离，这样同样的构建过程可以创建不同的表示。其优势在于简化了复杂对象的创建过程，但可能会导致实现的复杂度增加。建造者模式适合那些创建复杂产品的类，这些产品由多个部分构成，并且不同部分可以选择性地创建。

1. 原型（Prototype）模式

原型模式则是通过复制现有对象生成新对象的一种方式，无需知道创建的细节。这种方式的优点是可以动态增加或减少产品类，更加灵活；然而，每个子类都必须实现克隆操作，这可能会导致类的功能不必要地扩展。原型模式适用于创建成本较大的情况，比如初始化过程耗费资源较多的对象。

1. 适配器（Adapter）模式

适配器模式用于连接两个不兼容的接口。通过使用适配器，可以使原本因接口不兼容而不能一起工作的类能够一同工作。这一模式的优点是提高了类的透明性和复用性，但缺点是过多的使用适配器，容易使系统结构变得更复杂。适配器模式通常在系统需要使用现有的类，而这些类的接口不符合系统需求时使用。

1. 观察者（Observer）模式

观察者模式定义了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将得到通知并自动更新。这种模式的优点在于支持简单的通信机制，使得对象之间的耦合性降低，更易于扩展和维护。但其缺点是如果被观察者有循环依赖的话，会导致系统崩溃。观察者模式适用于当一个抽象模型有两个方面，其中一个方面依赖于另一方面时，需要进行更新的场景。

1. 装饰器（Decorator）模式

装饰器模式则允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。这种方式的优势在于比继承更具弹性，可以动态地给一个对象添加功能；然而，其缺点是会产生很多小对象，过度使用会使程序变得更加复杂。装饰器模式适合于不想生成大量细粒度的类或者扩展方法的情况。

1. 外观（Facade）模式

外观模式提供了一个统一的接口用来访问子系统中一群接口，使得子系统更容易使用。这种模式简化了接口，减少了系统的依赖，但同时也可能限制了客户端的使用。外观模式常见于为复杂的子系统提供一个简单的接口时。

1. 享元（Flyweight）模式

享元模式运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。这种模式的优点在于极大减少内存中对象的数量，减轻系统性能压力；但是，它的缺点是使得代码结构更复杂，而且享元对象的状态必须外部化，才能共享。享元模式适用于系统有大量相似或者相同的对象造成了很大的资源开销时。

1. 代理（Proxy）模式

代理模式则为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。这种模式的优点在于可以在某些操作前后执行一些附加的操作，如安全检查、缓存等；但是，缺点是需要额外的代理对象，会增加系统的复杂度。代理模式适用于需要对现有对象进行访问控制或者延迟加载等情况。

1. 命令（Command）模式

命令模式将请求封装为一个对象，从而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。这种模式的优点是可以很容易地设计一个命令队列；缺点是可能会导致某些系统有过多的具体命令类。命令模式适用于需要对操作进行记录、撤销/重做、事务等处理的情况。

1. 责任链（Chain of Responsibility）模式

责任链模式为解除请求的发送者和接收者之间耦合，使多个对象都有机会处理请求。这种模式的优点在于降低了请求发送者和接受者之间的耦合，增强了系统的可扩展性；但缺点是如果不能很好地控制处理的顺序，可能会导致请求得不到处理。责任链模式适用于有多个对象可以处理同一请求，但具体由哪个对象处理则在运行时动态决定的情况。

1. 模板方法（Template Method）模式

模板方法模式在父类中定义一个算法骨架，而将一些步骤的实现延迟到子类中。这种模式的优点是通过继承强制调用父类的方法，保证基类控制核心流程的同时，又可以通过扩展增加新的行为；然而，其缺点是每个不同的实现都需要定义一个新的子类，导致类的个数增加。模板方法模式适用于一次性实现一个算法的不变部分，并将可变的行为留给子类来实现的场景。

1. 策略（Strategy）模式

策略模式定义了一系列的算法，把它们一一封装起来，并且使它们可以互相替换。这个模式的优势在于算法的变化独立于使用算法的客户，符合“开闭原则”；但缺点是每个策略都需要维护一套代码，增加了系统的复杂度。策略模式适用于存在多种相似的操作或行为，只是具体步骤有所不同的场景。

1. 状态（State）模式

状态模式允许一个对象在其内部状态改变时改变其行为。这种模式的优点是将状态的变化封装到了具体的“状态”类中；缺点是会导致产生很多具体的状态类，增加了系统的复杂度。状态模式适合解决系统中比较复杂的状态转换和状态机的问题。

1. 访问者（Visitor）模式

访问者模式表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。这种模式的优势在于可以在不改变元素类的前提下定义新的操作；但缺点是增加新的操作很困难，必须修改遍历的算法。访问者模式适用于对象结构比较稳定，但其操作经常发生变化的场景。

1. 中介者（Mediator）模式

中介者模式用一个中介对象来封装一系列的对象交互。这种模式的优点是通过中介者来集中处理交互逻辑，降低了类的复杂度；但缺点是中介者会变得庞大而复杂，增加了系统的理解和维护难度。中介者模式适用于一组对象以定义良好但复杂的方式进行通信的场景。

1. 备忘录（Memento）模式

备忘录模式在不破坏封装的条件下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。这种模式的优点是在不违反封装的原则下保持了对象状态；缺点是为了保持备份数据的同步，消耗资源较大。备忘录模式适用于保存和恢复对象状态的场景。

1. 迭代器（Iterator）模式

迭代器模式提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不暴露该对象的内部表示。这种模式的优点在于为遍历不同集合结构提供一个统一的接口；缺点是每新增一个新的聚合结构都要配备一个新的迭代器。迭代器模式适用于需要遍历一个对象集合或数组的情况。

1. 组合（Composite）模式

组合模式将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。这种模式的优势在于使得客户端对单个对象和组合对象的使用具有一致性；但缺点是使得设计变得更加复杂。组合模式适用于希望客户端忽略组合对象与单个对象的场合。

1. 桥接模式

桥接模式将抽象与实现分离，使它们可以独立变化。这种模式的优点在于实现了抽象和实现部分的独立扩展；但缺点是由于多了一层间接，可能会导致系统的理解和管理上的困难。桥接模式适用于不希望或不能让抽象和实现有一个固定的绑定关系的场景。

1. 解释器（Interpreter）模式

解释器模式提供了一个框架来解释语言的语法或表达式。这种模式的优点是为语言创建解释器提供了一个框架；但其缺点在于对于复杂的文法很难维护。解释器模式适用于需要解释特定类型语句的情况。

了解并合理运用这些设计模式，可以帮助我们编写出更加优雅、高效的代码。每种模式都有其独特的应用场景和优缺点，重要的是要根据实际的项目需求去选择最适合的模式。

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