概述
设计模式是针对软件开发中经常遇到的一些设计问题，总结出来的一套解决方案或者设计思路。
大部分设计模式要解决的都是代码的可扩展性问题。
对于灵活多变的业务，需要用到设计模式，提升扩展性和可维护性，让代码能适应更多的变化;
设计模式的核心就是，封装变化，隔离可变性
设计模式解决的问题:
- 创建型设计模式主要解决“对象的创建”问题，创建和使用代码解耦;
- 结构型设计模式主要解决“类或对象的组合或组装”问题，将不同功能代码解耦;
- 行为型设计模式主要解决的就是“类或对象之间的交互”问题。将不同的行为代码解耦，具体到观察者模式，它是将观察者和被观察者代码解耦。
设计模式关注重点: 了解它们都能解决哪些问题，掌握典型的应用场景，并且懂得不过度应用。
经典的设计模式有 23 种。随着编程语言的演进，一些设计模式（比如 Singleton）也随之过时，甚至成了反模式，一些则被内置在编程语言中（比如 Iterator），另外还有一些新的模式诞生（比如 Monostate）。
行为型
行为型设计模式比较多，有 11 个，几乎占了 23 种经典设计模式的一半。它们分别是：观察者模式、模板模式、策略模式、职责链模式、状态模式、迭代器模式、访问者模式、备忘录模式、命令模式、解释器模式、中介模式。
- 常用的有：观察者模式、模板模式、策略模式、职责链模式、迭代器模式、状态模式。
- 不常用的有：访问者模式、备忘录模式、命令模式、解释器模式、中介模式。
模板模式
绝大部分设计模式的原理和实现，都非常简单，难的是掌握应用场景，搞清楚能解决什么问题。模板模式主要是用来解决复用 和 扩展两个问题。回调，它跟模板模式的作用类似，但使用起来更加灵活。它们之间的主要区别在于代码实现，模板模式基于继承来实现，回调基于组合来实现。
模板模式有两大作用：复用和扩展。
模板模式把一个算法中不变的流程抽象到父类的模板方法，将可变的部分 留给子类来实现。所有的子类都可以复用父类中模板方法定义的流程代码。
- 复用： 所有的子类可以复用父类中提供的模板方法的代码。
- 扩展： 框架通过模板模式提供功能扩展点，让框架用户可以在不修改框架源码的情况下，基于扩展点定制化框架的功能。
定义：
模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架，并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。
这里的“算法”，我们可以理解为广义上的“业务逻辑”，并不特指数据结构和算法中的“算法”。
这里的算法骨架就是“模板”，包含算法骨架的方法就是“模板方法”。
简单实现：
父类封装好业务流程，提供功能扩展让子类实现, 子类复用父类模板方法，子类实现父类扩展方法:
- 实现可以用抽象类定义具体的流程方法，流程方法包含抽象方法，需要子类实现定义为抽象方法
- 还可以用普通类，需要子类实现的方法抛出异常，该方法嵌入模板方法
templateMethod() 函数定义为 final，是为了避免子类重写它。method1() 和 method2() 定义为 abstract，是为了强迫子类去实现。不过，这些都不是必须的，在实际的项目开发中，模板模式的代码实现比较灵活，待会儿讲到应用场景的时候，我们会有具体的体现。
/**
*1.在模板模式经典的实现中，模板方法定义为 final，可以避免被子类重写;
*2.需要子类重写的方法定义为 abstract，可以强迫子类去实现;
*不过，在实际项目开发中，模板模式的实现比较灵活，以上两点都不是必须的。
**/
public abstract class AbstractClass {
//模板模式把一个算法中不变的流程抽象到父类的模板方法 templateMethod() 中，
//将可变的部分 method1()、method2() 留给子类 ContreteClass1 和 ContreteClass2 来实现。
//所有的子类都可以复用父类中模板方法定义的流程代码。
public final void templateMethod() {
//...
method1();
//...
method2();
//...
}
protected abstract void method1();
protected abstract void method2();
}
public class ConcreteClass1 extends AbstractClass {
@Override
protected void method1() {
//...
}
@Override
protected void method2() {
//...
}
}
AbstractClass demo = ConcreteClass1();
demo.templateMethod();
1.Java InputStream
可以定义多种不同的读的方法
Java IO 类库中，有很多类的设计用到了模板模式，比如 InputStream、OutputStream、Reader、Writer。我们拿 InputStream 来举例说明一下。
我把 InputStream 部分相关代码贴在了下面。在代码中，read() 函数是一个模板方法，定义了读取数据的整个流程，并且暴露了一个可以由子类来定制的抽象方法。不过这个方法也被命名为了 read()，只是参数跟模板方法不同。
public abstract class InputStream implements Closeable {
//...省略其他代码...
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
if (b == null) {
throw new NullPointerException();
} else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
throw new IndexOutOfBoundsException();
} else if (len == 0) {
return 0;
}
int c = read();
if (c == -1) {
return -1;
}
b[off] = (byte)c;
int i = 1;
try {
for (; i < len ; i++) {
c = read();
if (c == -1) {
break;
}
b[off + i] = (byte)c;
}
} catch (IOException ee) {
}
return i;
}
public abstract int read() throws IOException;
}
public class ByteArrayInputStream extends InputStream {
//...省略其他代码...
@Override
public synchronized int read() {
return (pos < count) ? (buf[pos++] & 0xff) : -1;
}
}
2.Java AbstractList
可以定义多种不同添加的方式
在 Java AbstractList 类中，addAll() 函数可以看作模板方法，add() 是子类需要重写的方法，尽管没有声明为 abstract 的，但函数实现直接抛出了 UnsupportedOperationException 异常。前提是，如果子类不重写是不能使用的。
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
rangeCheckForAdd(index);
boolean modified = false;
for (E e : c) {
add(index++, e);
modified = true;
}
return modified;
}
public void add(int index, E element) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
扩展：
模板模式的第二大作用的是扩展。这里所说的扩展，并不是指代码的扩展性，而是指框架的扩展性，有点类似我们之前讲到的控制反转。基于这个作用，模板模式常用在框架的开发中，让框架用户可以在不修改框架源码的情况下，定制化框架的功能。我们通过 Junit TestCase、Java Servlet 两个例子来解释一下。
1.Java Servlet
对于 Java Web 项目开发来说，常用的开发框架是 SpringMVC。利用它，我们只需要关注业务代码的编写，底层的原理几乎不会涉及。但是，如果我们抛开这些高级框架来开发 Web 项目，必然会用到 Servlet。实际上，使用比较底层的 Servlet 来开发 Web 项目也不难。我们只需要定义一个继承 HttpServlet 的类，并且重写其中的 doGet() 或 doPost() 方法，来分别处理 get 和 post 请求。具体的代码示例如下所示：
public class HelloServlet extends HttpServlet {
@Override
protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
this.doPost(req, resp);
}
@Override
protected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
resp.getWriter().write("Hello World.");
}
}
除此之外，我们还需要在配置文件 web.xml 中做如下配置。Tomcat、Jetty 等 Servlet 容器在启动的时候，会自动加载这个配置文件中的 URL 和 Servlet 之间的映射关系。
<servlet>
<servlet-name>HelloServlet</servlet-name>
<servlet-class>com.xzg.cd.HelloServlet</servlet-class>
</servlet>
<servlet-mapping>
<servlet-name>HelloServlet</servlet-name>
<url-pattern>/hello</url-pattern>
</servlet-mapping>
当我们在浏览器中输入网址（比如，http://127.0.0.1:8080/hello ）的时候，Servlet 容器会接收到相应的请求，并且根据 URL 和 Servlet 之间的映射关系，找到相应的 Servlet（HelloServlet），然后执行它的 service() 方法。service() 方法定义在父类 HttpServlet 中，它会调用 doGet() 或 doPost() 方法，然后输出数据（“Hello world”）到网页。我们现在来看，HttpServlet 的 service() 函数长什么样子。
public void service(ServletRequest req, ServletResponse res)
throws ServletException, IOException
{
HttpServletRequest request;
HttpServletResponse response;
if (!(req instanceof HttpServletRequest &&
res instanceof HttpServletResponse)) {
throw new ServletException("non-HTTP request or response");
}
request = (HttpServletRequest) req;
response = (HttpServletResponse) res;
service(request, response);
}
protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
throws ServletException, IOException
{
String method = req.getMethod();
if (method.equals(METHOD_GET)) {
long lastModified = getLastModified(req);
if (lastModified == -1) {
// servlet doesn't support if-modified-since, no reason
// to go through further expensive logic
doGet(req, resp);
} else {
long ifModifiedSince = req.getDateHeader(HEADER_IFMODSINCE);
if (ifModifiedSince < lastModified) {
// If the servlet mod time is later, call doGet()
// Round down to the nearest second for a proper compare
// A ifModifiedSince of -1 will always be less
maybeSetLastModified(resp, lastModified);
doGet(req, resp);
} else {
resp.setStatus(HttpServletResponse.SC_NOT_MODIFIED);
}
}
} else if (method.equals(METHOD_HEAD)) {
long lastModified = getLastModified(req);
maybeSetLastModified(resp, lastModified);
doHead(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_POST)) {
doPost(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_PUT)) {
doPut(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_DELETE)) {
doDelete(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_OPTIONS)) {
doOptions(req,resp);
} else if (method.equals(METHOD_TRACE)) {
doTrace(req,resp);
} else {
String errMsg = lStrings.getString("http.method_not_implemented");
Object[] errArgs = new Object[1];
errArgs[0] = method;
errMsg = MessageFormat.format(errMsg, errArgs);
resp.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_IMPLEMENTED, errMsg);
}
}
从上面的代码中我们可以看出，HttpServlet 的 service() 方法就是一个模板方法，它实现了整个 HTTP 请求的执行流程，doGet()、doPost() 是模板中可以由子类来定制的部分。实际上，这就相当于 Servlet 框架提供了一个扩展点（doGet()、doPost() 方法），让框架用户在不用修改 Servlet 框架源码的情况下，将业务代码通过扩展点镶嵌到框架中执行。
模板模式与Callback回调函数：
复用和扩展是模板模式的两大作用，回调（Callback）起到跟模板模式相同的作用。
回调定义：
A 调用 B，B 反过来又调用 A，这种调用机制就叫作“回调”。
A 类如何将回调函数传递给 B 类呢？Java 则需要使用包裹了回调函数的类对象，我们简称为回调对象。
public interface ICallback {
void methodToCallback();
}
public class BClass {
public void process(ICallback callback) {
//...
callback.methodToCallback();
//...
}
}
public class AClass {
public static void main(String[] args) {
BClass b = new BClass();
b.process(new ICallback() { //回调对象
@Override
public void methodToCallback() {
System.out.println("Call back me.");
}
});
}
}
上面就是 Java 语言中回调的典型代码实现。从代码实现中，我们可以看出，回调跟模板模式一样，也具有复用和扩展的功能。除了回调函数之外，BClass 类的 process() 函数中的逻辑都可以复用。如果 ICallback、BClass 类是框架代码，AClass 是使用框架的客户端代码，我们可以通过 ICallback 定制 process() 函数，也就是说，框架因此具有了扩展的能力。
实际上，回调不仅可以应用在代码设计上，在更高层次的架构设计上也比较常用。比如，通过三方支付系统来实现支付功能，用户在发起支付请求之后，一般不会一直阻塞到支付结果返回，而是注册回调接口（类似回调函数，一般是一个回调用的 URL）给三方支付系统，等三方支付系统执行完成之后，将结果通过回调接口返回给用户。
回调可以分为同步回调和异步回调（或者延迟回调）。同步回调指在函数返回之前执行回调函数；异步回调指的是在函数返回之后执行回调函数。
- 上面的代码实际上是同步回调的实现方式，在 process() 函数返回之前，执行完回调函数 methodToCallback()。
- 而上面支付的例子是异步回调的实现方式，发起支付之后不需要等待回调接口被调用就直接返回。从应用场景上来看，同步回调看起来更像模板模式，异步回调看起来更像观察者模式。
应用举例一：JdbcTemplate
Spring 提供了很多 Template 类，比如，JdbcTemplate、RedisTemplate、RestTemplate。尽管都叫作 xxxTemplate，但它们并非基于模板模式来实现的，而是基于回调来实现的，确切地说应该是同步回调。而同步回调从应用场景上很像模板模式，所以，在命名上，这些类使用 Template（模板）这个单词作为后缀。
这些 Template 类的设计思路都很相近，所以，我们只拿其中的 JdbcTemplate 来举例分析一下。对于其他 Template 类，你可以阅读源码自行分析。
在前面的章节中，我们也多次提到，Java 提供了 JDBC 类库来封装不同类型的数据库操作。不过，直接使用 JDBC 来编写操作数据库的代码，还是有点复杂的。比如，下面这段是使用 JDBC 来查询用户信息的代码。
public class JdbcDemo {
public User queryUser(long id) {
Connection conn = null;
Statement stmt = null;
try {
//1.加载驱动
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/demo", "xzg", "xzg");
//2.创建statement类对象，用来执行SQL语句
stmt = conn.createStatement();
//3.ResultSet类，用来存放获取的结果集
String sql = "select * from user where id=" + id;
ResultSet resultSet = stmt.executeQuery(sql);
String eid = null, ename = null, price = null;
while (resultSet.next()) {
User user = new User();
user.setId(resultSet.getLong("id"));
user.setName(resultSet.getString("name"));
user.setTelephone(resultSet.getString("telephone"));
return user;
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// TODO: log...
} catch (SQLException e) {
// TODO: log...
} finally {
if (conn != null)
try {
conn.close();
} catch (SQLException e) {
// TODO: log...
}
if (stmt != null)
try {
stmt.close();
} catch (SQLException e) {
// TODO: log...
}
}
return null;
}
}
queryUser() 函数包含很多流程性质的代码，跟业务无关，比如，加载驱动、创建数据库连接、创建 statement、关闭连接、关闭 statement、处理异常。针对不同的 SQL 执行请求，这些流程性质的代码是相同的、可以复用的，我们不需要每次都重新敲一遍。
针对这个问题，Spring 提供了 JdbcTemplate，对 JDBC 进一步封装，来简化数据库编程。使用 JdbcTemplate 查询用户信息，我们只需要编写跟这个业务有关的代码，其中包括，查询用户的 SQL 语句、查询结果与 User 对象之间的映射关系。其他流程性质的代码都封装在了 JdbcTemplate 类中，不需要我们每次都重新编写。我用 JdbcTemplate 重写了上面的例子，代码简单了很多，如下所示：
public class JdbcTemplateDemo {
private JdbcTemplate jdbcTemplate;
public User queryUser(long id) {
String sql = "select * from user where id="+id;
return jdbcTemplate.query(sql, new UserRowMapper()).get(0);
}
class UserRowMapper implements RowMapper<User> {
public User mapRow(ResultSet rs, int rowNum) throws SQLException {
User user = new User();
user.setId(rs.getLong("id"));
user.setName(rs.getString("name"));
user.setTelephone(rs.getString("telephone"));
return user;
}
}
}
那 JdbcTemplate 底层具体是如何实现的呢？因为 JdbcTemplate 代码比较多，只摘抄了部分相关代码。其中，JdbcTemplate 通过回调的机制，将不变的执行流程抽离出来，放到模板方法 execute() 中，将可变的部分设计成回调 StatementCallback，由用户来定制。 query() 函数是对 execute() 函数的二次封装，让接口用起来更加方便。
@Override
public <T> List<T> query(String sql, RowMapper<T> rowMapper) throws DataAccessException {
return query(sql, new RowMapperResultSetExtractor<T>(rowMapper));
}
@Override
public <T> T query(final String sql, final ResultSetExtractor<T> rse) throws DataAccessException {
Assert.notNull(sql, "SQL must not be null");
Assert.notNull(rse, "ResultSetExtractor must not be null");
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Executing SQL query [" + sql + "]");
}
class QueryStatementCallback implements StatementCallback<T>, SqlProvider {
@Override
public T doInStatement(Statement stmt) throws SQLException {
ResultSet rs = null;
try {
rs = stmt.executeQuery(sql);
ResultSet rsToUse = rs;
if (nativeJdbcExtractor != null) {
rsToUse = nativeJdbcExtractor.getNativeResultSet(rs);
}
return rse.extractData(rsToUse);
}
finally {
JdbcUtils.closeResultSet(rs);
}
}
@Override
public String getSql() {
return sql;
}
}
return execute(new QueryStatementCallback());
}
@Override
public <T> T execute(StatementCallback<T> action) throws DataAccessException {
Assert.notNull(action, "Callback object must not be null");
Connection con = DataSourceUtils.getConnection(getDataSource());
Statement stmt = null;
try {
Connection conToUse = con;
if (this.nativeJdbcExtractor != null &&
this.nativeJdbcExtractor.isNativeConnectionNecessaryForNativeStatements()) {
conToUse = this.nativeJdbcExtractor.getNativeConnection(con);
}
stmt = conToUse.createStatement();
applyStatementSettings(stmt);
Statement stmtToUse = stmt;
if (this.nativeJdbcExtractor != null) {
stmtToUse = this.nativeJdbcExtractor.getNativeStatement(stmt);
}
T result = action.doInStatement(stmtToUse);
handleWarnings(stmt);
return result;
}
catch (SQLException ex) {
// Release Connection early, to avoid potential connection pool deadlock
// in the case when the exception translator hasn't been initialized yet.
JdbcUtils.closeStatement(stmt);
stmt = null;
DataSourceUtils.releaseConnection(con, getDataSource());
con = null;
throw getExceptionTranslator().translate("StatementCallback", getSql(action), ex);
}
finally {
JdbcUtils.closeStatement(stmt);
DataSourceUtils.releaseConnection(con, getDataSource());
}
}
应用举例二：setClickListener(）
在客户端开发中，我们经常给控件注册事件监听器，比如下面这段代码，就是在 Android 应用开发中，给 Button 控件的点击事件注册监听器。
Button button = (Button)findViewById(R.id.button);
button.setOnClickListener(new OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View v) {
System.out.println("I am clicked.");
}
});
从代码结构上来看，事件监听器很像回调，即传递一个包含回调函数（onClick()）的对象给另一个函数。从应用场景上来看，它又很像观察者模式，即事先注册观察者（OnClickListener），当用户点击按钮的时候，发送点击事件给观察者，并且执行相应的 onClick() 函数。
我们前面讲到，回调分为同步回调和异步回调。这里的回调算是异步回调，我们往 setOnClickListener() 函数中注册好回调函数之后，并不需要等待回调函数执行。这也印证了我们前面讲的，异步回调比较像观察者模式。
应用举例三：addShutdownHook()
Hook 可以翻译成“钩子”，那它跟 Callback 有什么区别呢？
网上有人认为 Hook 就是 Callback，两者说的是一回事儿，只是表达不同而已。而有人觉得 Hook 是 Callback 的一种应用。Callback 更侧重语法机制的描述，Hook 更加侧重应用场景的描述。我个人比较认可后面一种说法。不过，这个也不重要，我们只需要见了代码能认识，遇到场景会用就可以了。
Hook 比较经典的应用场景是 Tomcat 和 JVM 的 shutdown hook。接下来，我们拿 JVM 来举例说明一下。JVM 提供了 Runtime.addShutdownHook(Thread hook) 方法，可以注册一个 JVM 关闭的 Hook。当应用程序关闭的时候，JVM 会自动调用 Hook 代码。代码示例如下所示：
public class ShutdownHookDemo {
private static class ShutdownHook extends Thread {
public void run() {
System.out.println("I am called during shutting down.");
}
}
public static void main(String[] args) {
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new ShutdownHook());
}
}
我们再来看 addShutdownHook() 的代码实现，如下所示。这里我只给出了部分相关代码。
public class Runtime {
public void addShutdownHook(Thread hook) {
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(new RuntimePermission("shutdownHooks"));
}
ApplicationShutdownHooks.add(hook);
}
}
class ApplicationShutdownHooks {
/* The set of registered hooks */
private static IdentityHashMap<Thread, Thread> hooks;
static {
hooks = new IdentityHashMap<>();
} catch (IllegalStateException e) {
hooks = null;
}
}
static synchronized void add(Thread hook) {
if(hooks == null)
throw new IllegalStateException("Shutdown in progress");
if (hook.isAlive())
throw new IllegalArgumentException("Hook already running");
if (hooks.containsKey(hook))
throw new IllegalArgumentException("Hook previously registered");
hooks.put(hook, hook);
}
static void runHooks() {
Collection<Thread> threads;
synchronized(ApplicationShutdownHooks.class) {
threads = hooks.keySet();
hooks = null;
}
for (Thread hook : threads) {
hook.start();
}
for (Thread hook : threads) {
while (true) {
try {
hook.join();
break;
} catch (InterruptedException ignored) {
}
}
}
}
}
从代码中我们可以发现，有关 Hook 的逻辑都被封装到 ApplicationShutdownHooks 类中了。当应用程序关闭的时候，JVM 会调用这个类的 runHooks() 方法，创建多个线程，并发地执行多个 Hook。我们在注册完 Hook 之后，并不需要等待 Hook 执行完成，所以，这也算是一种异步回调。
模板模式 VS 回调
从应用场景上来看，同步回调跟模板模式几乎一致。它们都是在一个大的算法骨架中，自由替换其中的某个步骤，起到代码复用和扩展的目的。而异步回调跟模板模式有较大差别，更像是观察者模式。
从代码实现上来看，回调和模板模式完全不同。回调基于组合关系来实现，把一个对象传递给另一个对象，是一种对象之间的关系；模板模式基于继承关系来实现，子类重写父类的抽象方法，是一种类之间的关系。
前面我们也讲到，组合优于继承。实际上，这里也不例外。在代码实现上，回调相对于模板模式会更加灵活，主要体现在下面几点。
- 像 Java 这种只支持单继承的语言，基于模板模式编写的子类，已经继承了一个父类，不再具有继承的能力。
- 回调可以使用匿名类来创建回调对象，可以不用事先定义类；而模板模式针对不同的实现都要定义不同的子类。
- 如果某个类中定义了多个模板方法，每个方法都有对应的抽象方法，那即便我们只用到其中的一个模板方法，子类也必须实现所有的抽象方法。而回调就更加灵活，我们只需要往用到的模板方法中注入回调对象即可。
参考：
