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）。

创建型模式主要解决类或对象的组合或组装问题，是从程序的结构上实现松耦合，从而可以扩大整体的类结构，用来解决更大的问题。

结构型设计模式是一组用于解决对象和类之间的组织关系、复杂性和交互问题的设计模式。它们主要关注如何通过类和对象的组合来形成更大的结构，并提供了灵活的方式来实现系统的组件之间的通信和协作。结构型设计模式主要解决以下问题：

1. 对象之间的接口和实现分离：结构型设计模式可以帮助将抽象与实现分离，使得对象之间的接口更加清晰和可扩展。例如，适配器模式可以将不兼容的接口转换为统一的接口，使得不同类之间的交互更加简单。
2. 类之间的关系管理：结构型设计模式提供了一种有效的方式来管理类之间的关系，以确保系统的灵活性和可维护性。例如，装饰器模式允许在运行时动态地为对象添加功能，而不必修改原始类的结构。
3. 对象的组合和组件化：结构型设计模式通过对象的组合和组件化，能够更好地处理系统中的复杂性。例如，组合模式允许将对象组织成树状结构，形成部分-整体的层次结构，以便更容易地处理对象集合。
4. 对象的访问和控制：结构型设计模式提供了一些机制来控制对象的访问和可见性，以及限制对象之间的依赖关系。例如，外观模式可以封装一组复杂子系统的接口，提供简化的接口给客户端使用。
5. 类和对象的灵活性：结构型设计模式通过将类和对象组合起来，提供了更大的灵活性和可扩展性。例如，桥接模式可以将抽象与实现解耦，使得它们可以独立地变化和演化。

结构型设计模式主要关注对象和类之间的组织关系、复杂性和交互问题。它们通过提供灵活的方式来管理对象之间的接口、关系和行为，帮助我们构建更健壮、灵活和可扩展的软件系统。

1. 代理模式： 为真实对象提供一个代理，从而控制对真实对象的访问 。
2. 适配模式 ：使原本由于接口不兼容不能一起工作的类可以一起工作 。
3. 桥接模式 ：处理多层继承结构，处理多维度变化的场景，将各个维度设计成独立的继 承结构，使各个维度可以独立的扩展在抽象层建立关联。
4. 组合模式 ：将对象组合成树状结构以表示”部分和整体”层次结构，使得客户可以统一 的调用叶子对象和容器对象 。
5. 装饰模式 ：动态地给一个对象添加额外的功能，比继承灵活 。
6. 外观模式 ：为子系统提供统一的调用接口，使得子系统更加容易使用 。
7. 享元模式 ：运用共享技术有效的实现管理大量细粒度对象，节省内存，提高效率。

结构型

常用的有：代理模式、桥接模式、装饰者模式、适配器模式。

不常用的有：门面模式、组合模式、享元模式。

代理模式是解耦功能和非功能代码的类组合，代理类和被代理类实现或继承共同的父类；

桥接模式是从不同的纬度独立发展有各自不同的父类抽象，他们可以相互组合实现复杂关系的实现；

装饰器是对功能的增强，装饰器类和原始类有这共同的父类；

实际上，符合“组合关系”这种代码结构的设计模式有很多，比如之前讲过的代理模式、桥接模式，还有现在的装饰器模式。尽管它们的代码结构很相似，但是每种设计模式的意图是不同的。就拿比较相似的代理模式和装饰器模式来说吧，代理模式中，代理类附加的是跟原始类无关的功能，而在装饰器模式中，装饰器类附加的是跟原始类相关的增强功能。

代理、桥接、装饰器、适配器 4 种设计模式的区别：

代理、桥接、装饰器、适配器，这 4 种模式是比较常用的结构型设计模式。它们的代码结构非常相似。笼统来说，它们都可以称为 Wrapper 模式，也就是通过 Wrapper 类二次封装原始类。

尽管代码结构相似，但这 4 种设计模式的用意完全不同，也就是说要解决的问题、应用场景不同，这也是它们的主要区别。这里我就简单说一下它们之间的区别。

• 代理模式：

  代理模式在不改变原始类接口的条件下，为原始类定义一个代理类，主要目的是控制访问，而非加强功能，这是它跟装饰器模式最大的不同。

• 桥接模式：

  桥接模式的目的是将接口部分和实现部分分离，从而让它们可以较为容易、也相对独立地加以改变。

• 装饰器模式：

  装饰者模式在不改变原始类接口的情况下，对原始类功能进行增强，并且支持多个装饰器的嵌套使用。

• 适配器模式：

  适配器模式是一种事后的补救策略。适配器提供跟原始类不同的接口，而代理模式、装饰器模式提供的都是跟原始类相同的接口。

适配器是做接口转换，解决的是原接口和目标接口不匹配的问题。

门面模式做接口整合，解决的是多接口调用带来的问题。

结构型设计模式核心就是代码的组合来达到最大的扩展，不同模式根据解决问题不同，实现方式不同叫不同名字，归根结底都是在一个类中注入另一个类进行组合

代理模式。它在不改变原始类（或者叫被代理类）代码的情况下，通过引入代理类来给原始类附加功能。代理模式在平时的开发经常被用到，常用在业务系统中开发一些非功能性需求，比如：监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志。

桥接模式有两种理解方式。第一种理解方式是“将抽象和实现解耦，让它们能独立开发”。这种理解方式比较特别，应用场景也不多。另一种理解方式更加简单，类似“组合优于继承”设计原则，这种理解方式更加通用，应用场景比较多。不管是哪种理解方式，它们的代码结构都是相同的，都是一种类之间的组合关系。

适配器模式：

定义：

用来做适配的，它将不兼容的接口转换为可兼容的接口，让原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。

适配器模式是用来做适配，它将不兼容的接口转换为可兼容的接口，让原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。适配器模式有两种实现方式：类适配器和对象适配器。

1. 类适配器使用继承关系来实现；
2. 对象适配器使用组合关系来实现；

两种实现方式：

类适配器使用继承关系来实现，对象适配器使用组合关系来实现。

具体的代码实现如下所示。其中，ITarget 表示要转化成的接口定义。Adaptee 是一组不兼容 ITarget 接口定义的接口，Adaptor 将 Adaptee 转化成一组符合 ITarget 接口定义的接口。

// 类适配器: 基于继承
public interface ITarget {
  void f1();
  void f2();
  void fc();
}

public class Adaptee {
  public void fa() { //... }
  public void fb() { //... }
  public void fc() { //... }
}

public class Adaptor extends Adaptee implements ITarget {
  public void f1() {
    super.fa();
  }
  
  public void f2() {
    //...重新实现f2()...
  }
  
  // 这里fc()不需要实现，直接继承自Adaptee，这是跟对象适配器最大的不同点
}

// 对象适配器：基于组合
public interface ITarget {
  void f1();
  void f2();
  void fc();
}

public class Adaptee {
  public void fa() { //... }
  public void fb() { //... }
  public void fc() { //... }
}

public class Adaptor implements ITarget {
  private Adaptee adaptee;
  
  public Adaptor(Adaptee adaptee) {
    this.adaptee = adaptee;
  }
  
  public void f1() {
    adaptee.fa(); //委托给Adaptee
  }
  
  public void f2() {
    //...重新实现f2()...
  }
  
  public void fc() {
    adaptee.fc();
  }
}

针对这两种实现方式，在实际的开发中，到底该如何选择使用哪一种呢？判断的标准主要有两个，一个是 Adaptee 接口的个数，另一个是 Adaptee 和 ITarget 的契合程度。

• 如果 Adaptee 接口并不多，那两种实现方式都可以。
• 如果 Adaptee 接口很多，而且 Adaptee 和 ITarget 接口定义大部分都相同，那我们推荐使用类适配器，因为 Adaptor 复用父类 Adaptee 的接口，比起对象适配器的实现方式，Adaptor 的代码量要少一些。
• 如果 Adaptee 接口很多，而且 Adaptee 和 ITarget 接口定义大部分都不相同，那我们推荐使用对象适配器，因为组合结构相对于继承更加灵活。

适用场景：

1. 封装有缺陷的接口设计

假设我们依赖的外部系统在接口设计方面有缺陷（比如包含大量静态方法），引入之后会影响到我们自身代码的可测试性。为了隔离设计上的缺陷，我们希望对外部系统提供的接口进行二次封装，抽象出更好的接口设计，这个时候就可以使用适配器模式了。

public class CD { //这个类来自外部sdk，我们无权修改它的代码
  //...
  public static void staticFunction1() { //... }
  
  public void uglyNamingFunction2() { //... }

  public void tooManyParamsFunction3(int paramA, int paramB, ...) { //... }
  
   public void lowPerformanceFunction4() { //... }
}

// 使用适配器模式进行重构
public interface ITarget {
  void function1();
  void function2();
  void fucntion3(ParamsWrapperDefinition paramsWrapper);
  void function4();
  //...
}
// 注意：适配器类的命名不一定非得末尾带Adaptor
public class CDAdaptor extends CD implements ITarget {
  //...
  public void function1() {
     super.staticFunction1();
  }
  
  public void function2() {
    super.uglyNamingFucntion2();
  }
  
  public void function3(ParamsWrapperDefinition paramsWrapper) {
     super.tooManyParamsFunction3(paramsWrapper.getParamA(), ...);
  }
  
  public void function4() {
    //...reimplement it...
  }
}

2. 统一多个类的接口设计

某个功能的实现依赖多个外部系统（或者说类）。通过适配器模式，将它们的接口适配为统一的接口定义，然后我们就可以使用多态的特性来复用代码逻辑。

假设我们的系统要对用户输入的文本内容做敏感词过滤，为了提高过滤的召回率，我们引入了多款第三方敏感词过滤系统，依次对用户输入的内容进行过滤，过滤掉尽可能多的敏感词。但是，每个系统提供的过滤接口都是不同的。这就意味着我们没法复用一套逻辑来调用各个系统。这个时候，我们就可以使用适配器模式，将所有系统的接口适配为统一的接口定义，这样我们可以复用调用敏感词过滤的代码。

public class ASensitiveWordsFilter { // A敏感词过滤系统提供的接口
  //text是原始文本，函数输出用***替换敏感词之后的文本
  public String filterSexyWords(String text) {
    // ...
  }
  
  public String filterPoliticalWords(String text) {
    // ...
  } 
}

public class BSensitiveWordsFilter  { // B敏感词过滤系统提供的接口
  public String filter(String text) {
    //...
  }
}

public class CSensitiveWordsFilter { // C敏感词过滤系统提供的接口
  public String filter(String text, String mask) {
    //...
  }
}

// 未使用适配器模式之前的代码：代码的可测试性、扩展性不好
public class RiskManagement {
  private ASensitiveWordsFilter aFilter = new ASensitiveWordsFilter();
  private BSensitiveWordsFilter bFilter = new BSensitiveWordsFilter();
  private CSensitiveWordsFilter cFilter = new CSensitiveWordsFilter();
  
  public String filterSensitiveWords(String text) {
    String maskedText = aFilter.filterSexyWords(text);
    maskedText = aFilter.filterPoliticalWords(maskedText);
    maskedText = bFilter.filter(maskedText);
    maskedText = cFilter.filter(maskedText, "***");
    return maskedText;
  }
}

// 使用适配器模式进行改造
public interface ISensitiveWordsFilter { // 统一接口定义
  String filter(String text);
}

public class ASensitiveWordsFilterAdaptor implements ISensitiveWordsFilter {
  private ASensitiveWordsFilter aFilter;
  public String filter(String text) {
    String maskedText = aFilter.filterSexyWords(text);
    maskedText = aFilter.filterPoliticalWords(maskedText);
    return maskedText;
  }
}
//...省略BSensitiveWordsFilterAdaptor、CSensitiveWordsFilterAdaptor...

// 扩展性更好，更加符合开闭原则，如果添加一个新的敏感词过滤系统，
// 这个类完全不需要改动；而且基于接口而非实现编程，代码的可测试性更好。
public class RiskManagement { 
  private List<ISensitiveWordsFilter> filters = new ArrayList<>();
 
  public void addSensitiveWordsFilter(ISensitiveWordsFilter filter) {
    filters.add(filter);
  }
  
  public String filterSensitiveWords(String text) {
    String maskedText = text;
    for (ISensitiveWordsFilter filter : filters) {
      maskedText = filter.filter(maskedText);
    }
    return maskedText;
  }
}

3. 替换依赖的外部系统

当我们把项目中依赖的一个外部系统替换为另一个外部系统的时候，利用适配器模式，可以减少对代码的改动。

// 外部系统A
public interface IA {
  //...
  void fa();
}
public class A implements IA {
  //...
  public void fa() { //... }
}
// 在我们的项目中，外部系统A的使用示例
public class Demo {
  private IA a;
  public Demo(IA a) {
    this.a = a;
  }
  //...
}
Demo d = new Demo(new A());

// 将外部系统A替换成外部系统B
public class BAdaptor implemnts IA {
  private B b;
  public BAdaptor(B b) {
    this.b= b;
  }
  public void fa() {
    //...
    b.fb();
  }
}
// 借助BAdaptor，Demo的代码中，调用IA接口的地方都无需改动，
// 只需要将BAdaptor如下注入到Demo即可。
Demo d = new Demo(new BAdaptor(new B()));

4. 兼容老版本接口

在做版本升级的时候，对于一些要废弃的接口，我们不直接将其删除，而是暂时保留，并且标注为 deprecated，并将内部实现逻辑委托为新的接口实现。这样做的好处是，让使用它的项目有个过渡期，而不是强制进行代码修改。这也可以粗略地看作适配器模式的一个应用场景。

JDK1.0 中包含一个遍历集合容器的类 Enumeration。JDK2.0 对这个类进行了重构，将它改名为 Iterator 类，并且对它的代码实现做了优化。但是考虑到如果将 Enumeration 直接从 JDK2.0 中删除，那使用 JDK1.0 的项目如果切换到 JDK2.0，代码就会编译不通过。为了避免这种情况的发生，我们必须把项目中所有使用到 Enumeration 的地方，都修改为使用 Iterator 才行。

单独一个项目做 Enumeration 到 Iterator 的替换，勉强还能接受。但是，使用 Java 开发的项目太多了，一次 JDK 的升级，导致所有的项目不做代码修改就会编译报错，这显然是不合理的。这就是我们经常所说的不兼容升级。为了做到兼容使用低版本 JDK 的老代码，我们可以暂时保留 Enumeration 类，并将其实现替换为直接调用 Itertor。代码示例如下所示：

public class Collections {
  public static Emueration emumeration(final Collection c) {
    return new Enumeration() {
      Iterator i = c.iterator();
      
      public boolean hasMoreElments() {
        return i.hashNext();
      }
      
      public Object nextElement() {
        return i.next():
      }
    }
  }
}

5. 适配不同格式的数据

适配器模式主要用于接口的适配，实际上，它还可以用在不同格式的数据之间的适配。比如，把从不同征信系统拉取的不同格式的征信数据，统一为相同的格式，以方便存储和使用。再比如，Java 中的 Arrays.asList() 也可以看作一种数据适配器，将数组类型的数据转化为集合容器类型。

List<String> stooges = Arrays.asList("Larry", "Moe", "Curly");

剖析适配器模式在 Java 日志中的应用

Java 中有很多日志框架，在项目开发中，我们常常用它们来打印日志信息。其中，比较常用的有 log4j、logback，以及 JDK 提供的 JUL(java.util.logging) 和 Apache 的 JCL(Jakarta Commons Logging) 等。

大部分日志框架都提供了相似的功能，比如按照不同级别（debug、info、warn、erro……）打印日志等，但它们却并没有实现统一的接口。这主要可能是历史的原因，它不像 JDBC 那样，一开始就制定了数据库操作的接口规范。

比如，项目中用到的某个组件使用 log4j 来打印日志，而我们项目本身使用的是 logback。将组件引入到项目之后，我们的项目就相当于有了两套日志打印框架。每种日志框架都有自己特有的配置方式。所以，我们要针对每种日志框架编写不同的配置文件（比如，日志存储的文件地址、打印日志的格式）。如果引入多个组件，每个组件使用的日志框架都不一样，那日志本身的管理工作就变得非常复杂。所以，为了解决这个问题，我们需要统一日志打印框架。

如果你是做 Java 开发的，那 Slf4j 这个日志框架你肯定不陌生，它相当于 JDBC 规范，提供了一套打印日志的统一接口规范。不过，它只定义了接口，并没有提供具体的实现，需要配合其他日志框架（log4j、logback……）来使用。

不仅如此，Slf4j 的出现晚于 JUL、JCL、log4j 等日志框架，所以，这些日志框架也不可能牺牲掉版本兼容性，将接口改造成符合 Slf4j 接口规范。Slf4j 也事先考虑到了这个问题，所以，它不仅仅提供了统一的接口定义，还提供了针对不同日志框架的适配器。对不同日志框架的接口进行二次封装，适配成统一的 Slf4j 接口定义。 具体的代码示例如下所示：

// slf4j统一的接口定义
package org.slf4j;
public interface Logger {
  public boolean isTraceEnabled();
  public void trace(String msg);
  public void trace(String format, Object arg);
  public void trace(String format, Object arg1, Object arg2);
  public void trace(String format, Object[] argArray);
  public void trace(String msg, Throwable t);
 
  public boolean isDebugEnabled();
  public void debug(String msg);
  public void debug(String format, Object arg);
  public void debug(String format, Object arg1, Object arg2)
  public void debug(String format, Object[] argArray)
  public void debug(String msg, Throwable t);

  //...省略info、warn、error等一堆接口
}

// log4j日志框架的适配器
// Log4jLoggerAdapter实现了LocationAwareLogger接口，
// 其中LocationAwareLogger继承自Logger接口，
// 也就相当于Log4jLoggerAdapter实现了Logger接口。
package org.slf4j.impl;
public final class Log4jLoggerAdapter extends MarkerIgnoringBase
  implements LocationAwareLogger, Serializable {
  final transient org.apache.log4j.Logger logger; // log4j
 
  public boolean isDebugEnabled() {
    return logger.isDebugEnabled();
  }
 
  public void debug(String msg) {
    logger.log(FQCN, Level.DEBUG, msg, null);
  }
 
  public void debug(String format, Object arg) {
    if (logger.isDebugEnabled()) {
      FormattingTuple ft = MessageFormatter.format(format, arg);
      logger.log(FQCN, Level.DEBUG, ft.getMessage(), ft.getThrowable());
    }
  }
 
  public void debug(String format, Object arg1, Object arg2) {
    if (logger.isDebugEnabled()) {
      FormattingTuple ft = MessageFormatter.format(format, arg1, arg2);
      logger.log(FQCN, Level.DEBUG, ft.getMessage(), ft.getThrowable());
    }
  }
 
  public void debug(String format, Object[] argArray) {
    if (logger.isDebugEnabled()) {
      FormattingTuple ft = MessageFormatter.arrayFormat(format, argArray);
      logger.log(FQCN, Level.DEBUG, ft.getMessage(), ft.getThrowable());
    }
  }
 
  public void debug(String msg, Throwable t) {
    logger.log(FQCN, Level.DEBUG, msg, t);
  }
  //...省略一堆接口的实现...
}

所以，在开发业务系统或者开发框架、组件的时候，我们统一使用 Slf4j 提供的接口来编写打印日志的代码，具体使用哪种日志框架实现（log4j、logback……），是可以动态地指定的（使用 Java 的 SPI 技术，这里我不多解释，你自行研究吧），只需要将相应的 SDK 导入到项目中即可。

不过，你可能会说，如果一些老的项目没有使用 Slf4j，而是直接使用比如 JCL 来打印日志，那如果想要替换成其他日志框架，比如 log4j，该怎么办呢？实际上，Slf4j 不仅仅提供了从其他日志框架到 Slf4j 的适配器，还提供了反向适配器，也就是从 Slf4j 到其他日志框架的适配。我们可以先将 JCL 切换为 Slf4j，然后再将 Slf4j 切换为 log4j。经过两次适配器的转换，我们就能成功将 JCL 切换为了 log4j。