Java中的设计模式——单例模式、代理模式、适配器模式

来源：个人技术集锦

1. 单例模式

模式概述

定义：单例模式是一种设计模式，目的是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
实现方式：常见的单例模式实现方式有懒汉式和饿汉式。懒汉式是在第一次需要用到实例时才创建对象，而饿汉式是在类加载时就创建好实例。

Java 内存模型（JMM）和线程工作内存

Java 内存模型规定了线程与主内存之间的交互规则，具体体现在以下几个方面：

这种设计可以提高访问速度，但也会带来一个问题——可见性问题。

可见性问题

因为每个线程对变量的操作都发生在自己的工作内存中，当多个线程操作同一个变量时，工作内存和主内存之间的更新不同步，就会导致一个线程对变量的修改对其他线程不可见。

例如，假设有一个变量 flag，被线程 A 和线程 B 同时使用：

步骤 1：flag 初始值为 true，存储在主内存中。
步骤 2：线程 A 将 flag 的值加载到自己的工作内存中。
步骤 3：线程 B 也将 flag 的值加载到自己的工作内存中。
步骤 4：线程 A 将 flag 的值修改为 false 并写回到主内存中。
步骤 5：线程 B 继续使用自己的工作内存中缓存的 flag 值，而不会意识到主内存中的值已经被修改为 false。

结果就是，线程 B 继续操作的是一个过期的值，导致了可见性问题。

`volatile` 如何解决可见性问题

在 Java 中，volatile 关键字是一种轻量级的同步机制，用于修饰变量。volatile 可以确保被修饰的变量在所有线程中都是可见的，具体来说有以下两方面保证：

读操作从主内存中加载最新的值：当一个变量被声明为 volatile 时，JMM 会确保每次线程读取这个变量时，都是从主内存中直接读取最新的值，而不会使用工作内存中的缓存值。
写操作立即同步到主内存：同样，当一个线程对 volatile 变量进行写操作时，JMM 会强制将这个更新后的值立即刷新回主内存，使得其他线程可以立即看到最新的变化。

以下是一个简单的代码示例，说明 volatile 如何确保线程之间的可见性：

public class VolatileExample {
    private volatile boolean flag = true;

    public void updateFlag() {
        flag = false;  // 这里修改flag值会立即同步到主内存
    }

    public void checkFlag() {
        while (flag) {
            // 这里每次读取flag的值，都是从主内存读取最新值
        }
    }
}

在这个例子中：

flag 被 volatile 修饰后，线程执行 updateFlag() 方法将 flag 设置为 false 时，值会立即写回主内存。
另一个线程执行 checkFlag() 方法，每次读取 flag 值时，都会从主内存中获取最新的值，而不会使用线程缓存。

`volatile` 的局限性

虽然 volatile 能解决可见性问题，但它并不能保证操作的原子性。只能用在简单的赋值操作中举例来说，count++ 这样的操作包含了多个步骤（读取 count 值、增加 1 并写回），volatile 并不能确保多个线程同时执行该操作时不会产生冲突。

使用 `volatile` 和 `synchronized` 实现单例模式

synchronized 关键字

定义：synchronized 是一种重量级的同步机制，可以修饰方法或代码块，用于控制线程访问的顺序。
作用：synchronized 可以确保同一时刻只有一个线程执行同步代码块或方法，保证了代码的原子性和可见性。进入 synchronized 块的线程会自动获取锁，执行完毕后会释放锁。
适用场景：适用于需要保护某段关键代码的场景，例如对共享资源的读写操作。

轻量级和重量级同步的区别

在多线程编程中，轻量级和重量级同步主要指同步机制对系统资源的占用程度，以及对性能的影响。

1. 轻量级（volatile 属于轻量级同步）

volatile 被称为轻量级同步，原因是它仅仅确保了变量的可见性，但并不保证原子性。它没有像 synchronized 那样的锁机制，不会阻塞线程，因此不会引起线程上下文切换。使用 volatile 不需要进入同步块，也就没有额外的资源消耗和性能开销。

优点：

无锁机制，性能较高。
可以保证变量的最新值对所有线程可见。

局限性：

只能用在简单的赋值操作中，不适用于复合操作（如 count++）。
不保证操作的原子性，不适合需要排他访问的场景。

2. 重量级（synchronized 属于重量级同步）

synchronized 是重量级同步，因为它涉及锁机制。当一个线程进入 synchronized 块或方法时，其他线程无法同时进入该块，这会导致线程的阻塞和等待。锁的获取和释放会带来额外的系统开销，比如线程的上下文切换（切换线程时操作系统保存和恢复线程的状态），因此性能相对较低，属于重量级操作。

优点：

可以保证操作的原子性和可见性。
适用于需要保护复合操作的场景，例如共享资源的修改。

局限性：

由于线程需要等待锁，性能较低。
在大量线程争抢锁时，可能会导致性能下降。

为什么选择轻量或重量

轻量和重量的选择取决于程序对同步的需求和性能的权衡：

如果只是需要简单的变量可见性（比如某个标志位的状态），使用 volatile 更合适。
如果操作涉及多个步骤且需要原子性保障（如增减计数器、更新共享资源），synchronized 更可靠，尽管它会带来更多性能开销。

双重检查锁定模式（Double-Checked Locking）

双重检查锁定是一种延迟初始化的懒汉式单例模式，它利用 volatile 和 synchronized 确保线程安全，同时避免了每次获取实例时都进入同步块的性能开销。

public class Singleton {
    // 使用 volatile 关键字，确保 instance 对所有线程的可见性
    private static volatile Singleton instance = null;

    // 私有构造函数，防止外部创建实例
    private Singleton() {}

    // 提供一个全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {  // 第一次检查
            synchronized (Singleton.class) {  // 同步代码块
                if (instance == null) {  // 第二次检查
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

详细解读双重检查锁定中的过程

第一个 if (instance == null)：
- 多个线程可能同时调用 getInstance() 方法。
- 因为这是在同步块外执行的第一次检查，所以多个线程会同时通过 if (instance == null) 的判断，认为 instance 为 null（因为最开始 instance 确实是 null）。
synchronized (Singleton.class)：
- 虽然多个线程通过了第一次检查，但只有一个线程能成功获取锁，进入 synchronized 块。其他线程会在同步块外等待，直到锁被释放。
- 第一个进入 synchronized 块的线程会创建 Singleton 实例。
第二个 if (instance == null)：
- 第一个获得锁的线程在 synchronized 块中再次检查 instance == null。因为这是第一次创建实例的线程，所以 instance 仍然为 null，于是这个线程创建实例。
- 当第一个线程释放锁后，其他等待的线程会依次进入 synchronized 块。此时 instance 已经被创建，所以这些线程在 synchronized 块内的第二次检查 if (instance == null) 会发现 instance 不再是 null，因此不会再次创建实例。

双重检查的原因是性能优化。在大多数情况下，单例对象已经被创建，我们不需要进入 synchronized 块，从而减少了同步的开销。

2. 代理模式

模式概述

代理模式是一种设计模式，它让一个对象（代理对象）代替另一个对象去处理请求。我们用代理对象来控制对实际对象的访问，这样我们可以在访问实际对象前后添加一些额外功能，比如控制权限、记录日志、延迟加载资源等。

想象一下，当你要进入一个大型活动会场时，会有一个安保人员检查你的门票。这时，安保人员就是一个代理，他控制了你对会场的“访问”。通过代理人员的检查，确保只有合法的客人才能进入会场。

适用场景
代理模式适用于以下几种情况：

访问控制：限制谁可以访问对象，比如权限控制。
延迟加载：在需要时才加载某些资源，比如数据库连接或大文件。
日志和监控：代理对象可以记录谁在什么时间访问了资源，方便后续分析。

代理模式的结构

代理模式通常包含以下三个角色：

接口或抽象类（Subject）：定义了实际对象和代理对象共同的接口。这样代理对象和实际对象可以被同样的方式调用。
实际对象（RealSubject）：这是被代理的对象，它包含了业务逻辑，比如文件读取、数据库连接等功能。
代理对象（Proxy）：这是负责“代理”访问的对象，它持有对实际对象的引用，并实现了与实际对象相同的接口。

让我们来通过一个例子一步步地解释代理模式。

示例：延迟加载图片

假设我们有一个图片类 RealImage，它需要从磁盘加载图片的操作，但这个操作可能比较耗时。因此，我们可以创建一个代理类 ImageProxy，用来在需要时才实际加载图片。

定义图片接口

首先，我们定义一个 Image 接口，这样代理类和实际图片类都可以实现这个接口，并保持相同的操作方法（在这里是 display() 方法）：
```
public interface Image {
    void display();
}
```

实现实际图片类（RealSubject）

接下来，我们创建 RealImage 类，它负责从磁盘加载图片。加载图片的操作可能很耗时，我们可以用 System.out.println 模拟这种加载的延迟效果。

public class RealImage implements Image {
    private String fileName;

    public RealImage(String fileName) {
        this.fileName = fileName;
        loadFromDisk();  // 模拟加载图片的耗时操作
    }

    private void loadFromDisk() {
        System.out.println("Loading " + fileName);
    }

    public void display() {
        System.out.println("Displaying " + fileName);
    }
}

创建代理类（Proxy）

然后，我们创建 ImageProxy 类，它是 Image 接口的代理实现。代理类持有实际图片对象的引用（RealImage），并在需要时才去创建和加载它。通过代理，我们可以延迟 RealImage 的初始化，直到第一次调用 display() 才加载图片。

public class ImageProxy implements Image {
    private RealImage realImage;   // 持有实际图片对象的引用
    private String fileName;

    public ImageProxy(String fileName) {
        this.fileName = fileName;
    }

    public void display() {
        if (realImage == null) {  // 仅在需要时才加载实际图片
            realImage = new RealImage(fileName);
        }
        realImage.display();
    }
}

测试代理模式的效果

在客户端代码中，我们通过代理类 ImageProxy 来访问图片对象。这样，我们可以在第一次调用 display() 方法时才实际加载图片，避免了每次创建图片时都加载的开销。

public class ProxyPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Image image = new ImageProxy("test_image.jpg");

        // 第一次调用 display，实际图片会被加载
        image.display();
        
        // 第二次调用 display，使用已经加载的图片
        image.display();
    }
}

执行结果

Loading test_image.jpg
Displaying test_image.jpg
Displaying test_image.jpg

解析

延迟加载：代理类 ImageProxy 通过 realImage == null 的检查，仅在第一次调用 display() 方法时才去创建 RealImage，从而实现了延迟加载。
访问控制：用户通过 ImageProxy 访问 RealImage，从而将实际图片的加载过程隔离出来，用户不必直接创建和加载图片对象，而是通过代理类来控制加载行为。

总结代理模式

代理模式在不修改实际对象的情况下，控制了对实际对象的访问，还可以增加额外的操作，例如延迟加载和访问权限验证等。代理模式非常适用于需要访问控制或延迟初始化的场景。

3. 适配器模式

模式概述

适配器模式是一种设计模式，它将一个类的接口转换为客户端期望的接口。简单来说，适配器模式解决了接口不兼容的问题，使得原本无法直接使用的类能够配合工作。

举个简单的例子：假如你的手机充电器插头是USB-C型，但你的插座是三孔的，这时你就需要一个适配器，它能够把USB-C型插头转换成符合三孔插座的插头，让你可以正常充电。

适用场景
适配器模式适用于以下情况：

接口不兼容：当使用的接口与已有类的接口不匹配时，通过适配器连接两者。
复用现有类：不改变已有类的代码，让它适配新的接口要求。

适配器模式的结构

适配器模式一般包含以下几部分：

目标接口（Target）：客户端期望使用的接口。
已有接口（Adaptee）：原本不兼容的接口，需要被适配的接口。
适配器（Adapter）：实现目标接口，并将已有接口的功能转换为目标接口的功能。

实现步骤

我们来通过一个具体示例逐步理解适配器模式的实现。

示例：音频播放器扩展

假设我们有一个音频播放器 AudioPlayer，它只能播放 MP3 格式的音频文件。现在，我们需要扩展播放器，让它可以播放其他格式的音频文件（如 VLC 和 MP4 格式）。

1. 目标接口 (MediaPlayer)

AudioPlayer 类需要实现 MediaPlayer 接口，该接口定义了播放器的基本方法。

public interface MediaPlayer {
    void play(String audioType, String fileName); // 播放音频文件
}

2. 被适配接口 (AdvancedMediaPlayer)

我们将定义一个 AdvancedMediaPlayer 接口，用来支持播放 MP4 和 VLC 格式的文件。这个接口包含两个方法：一个用于播放 MP4 文件，另一个用于播放 VLC 文件。

public interface AdvancedMediaPlayer {
    void playVlc(String fileName); // 播放 VLC 文件
    void playMp4(String fileName); // 播放 MP4 文件
}

3. 被适配的类 (VlcPlayer 和 Mp4Player)

然后我们实现 AdvancedMediaPlayer 接口的具体类。VlcPlayer 用于播放 VLC 格式的文件，Mp4Player 用于播放 MP4 格式的文件。

public class VlcPlayer implements AdvancedMediaPlayer {
    @Override
    public void playVlc(String fileName) {
        System.out.println("Playing VLC file. Name: " + fileName);
    }

    @Override
    public void playMp4(String fileName) {
        // 不实现
    }
}

public class Mp4Player implements AdvancedMediaPlayer {
    @Override
    public void playVlc(String fileName) {
        // 不实现
    }

    @Override
    public void playMp4(String fileName) {
        System.out.println("Playing MP4 file. Name: " + fileName);
    }
}

4. 适配器类 (MediaAdapter)

为了使 AudioPlayer 能够播放 MP4 和 VLC 格式的文件，我们创建一个适配器类 MediaAdapter，该类将 MediaPlayer 接口的 play() 方法与 AdvancedMediaPlayer 的方法连接起来。

public class MediaAdapter implements MediaPlayer {
    AdvancedMediaPlayer advancedMusicPlayer;

    public MediaAdapter(String audioType) {
        if (audioType.equalsIgnoreCase("vlc")) {
            advancedMusicPlayer = new VlcPlayer(); // 支持 VLC 格式
        } else if (audioType.equalsIgnoreCase("mp4")) {
            advancedMusicPlayer = new Mp4Player(); // 支持 MP4 格式
        }
    }

    @Override
    public void play(String audioType, String fileName) {
        if (audioType.equalsIgnoreCase("vlc")) {
            advancedMusicPlayer.playVlc(fileName);
        } else if (audioType.equalsIgnoreCase("mp4")) {
            advancedMusicPlayer.playMp4(fileName);
        }
    }
}

5. 音频播放器类 (AudioPlayer)

AudioPlayer 类实现了 MediaPlayer 接口，并且在播放 MP3 文件时直接处理，如果是其他格式，则通过 MediaAdapter 来适配。

public class AudioPlayer implements MediaPlayer {
    MediaAdapter mediaAdapter;

    @Override
    public void play(String audioType, String fileName) {
        if (audioType.equalsIgnoreCase("mp3")) {
            System.out.println("Playing MP3 file. Name: " + fileName);
        }
        else if (audioType.equalsIgnoreCase("vlc") || audioType.equalsIgnoreCase("mp4")) {
            mediaAdapter = new MediaAdapter(audioType); // 使用适配器
            mediaAdapter.play(audioType, fileName);
        }
        else {
            System.out.println("Invalid media. " + audioType + " format not supported");
        }
    }
}

6. 测试类 (AdapterPatternDemo)

最终，我们可以创建一个测试类来验证我们的 AudioPlayer 是否能够成功支持 MP3、MP4 和 VLC 格式的文件。

public class AdapterPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AudioPlayer audioPlayer = new AudioPlayer();

        audioPlayer.play("mp3", "beyond the horizon.mp3");  // MP3 文件
        audioPlayer.play("mp4", "alone.mp4");              // MP4 文件
        audioPlayer.play("vlc", "far far away.vlc");       // VLC 文件
        audioPlayer.play("avi", "mind me.avi");            // 不支持的格式
    }
}

执行结果

Playing MP3 file. Name: beyond the horizon.mp3
Playing MP4 file. Name: alone.mp4
Playing VLC file. Name: far far away.vlc
Invalid media. avi format not supported

总结

目标接口 (MediaPlayer)：为 AudioPlayer 类提供统一的播放方法。
被适配接口 (AdvancedMediaPlayer)：定义了播放 MP4 和 VLC 文件的方法。
适配器类 (MediaAdapter)：实现了 MediaPlayer 接口，并通过适配的方式调用 AdvancedMediaPlayer 的方法，支持 MP4 和 VLC 文件格式。
音频播放器类 (AudioPlayer)：实现了 MediaPlayer 接口，并根据文件类型选择是否通过 MediaAdapter 来播放 MP4 或 VLC 文件。

通过适配器模式，AudioPlayer 类能够扩展支持其他音频格式，而不需要改变现有的代码结构。

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Java中的设计模式——单例模式、代理模式、适配器模式

1. 单例模式

模式概述

Java 内存模型（JMM）和线程工作内存

可见性问题

volatile 如何解决可见性问题

volatile 的局限性

使用 volatile 和 synchronized 实现单例模式

详细解读双重检查锁定中的过程

2. 代理模式

模式概述

代理模式的结构

示例：延迟加载图片

总结代理模式

3. 适配器模式

模式概述

适配器模式的结构

示例：音频播放器扩展

`volatile` 如何解决可见性问题

`volatile` 的局限性

使用 `volatile` 和 `synchronized` 实现单例模式