# 設計模式

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## 目錄

- [簡介](#簡介)
- [單例模式](#單例模式)

## 簡介

設計模式是指在軟體發展中，已經經過驗證來解決在特定的環境下、重複出現的或是特定問題的解決方案。

設計模式並不能解決所有問題，而只是解決「特定問題」，在這些問題「重複出現」的情況下，重用設計模式就可以解決那些特定問題；但設計模式並不是萬靈丹，也要避免過度使用、過度設計造成的軟體的架構過於複雜。

設計模式也無法直接用來完成程式碼的編寫，而是描述在各種不同情況下，要怎麼解決問題的一種方案。

設計模式最有名的莫過於GoF合作出版的「設計模式：可復用物件導向軟體的基礎」一書裡面的23種設計模式，至今都被奉為聖經般存在。

> **補充**
>
> GoF(英語，Gang of Four，簡稱GoF），Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson、John Vlissides四個人 合作出版了「設計模式：可復用物件導向軟體的基礎」一書。

但該書作為聖經其實頗為艱深並不容易閱讀，後來市面上其實也出了很多關於設計模式的書籍，就比較像是「聖經」的「解說版」，會比較容易理解，建議初學者可以先看市面上的其他書籍。

GoF將23種設計模式分成了三大類：

- **一、創建型模式（Creational）**

根據合適的情況來建立物件。單純的建立物件常會導致一些設計問題或增加設計的複雜度。創建型模式則藉由控制物件的生成方式來解決這問題。

| 設計模式 | 目的 | 生活案例 | 框架源碼舉例 |
| :----------------------------- | :--------------- | :------- | :----------------------------------- |
| 工廠模式（Factory） | 封裝創建細節 | 實體工廠 | LoggerFactory、Calender |
| 單例模式（Singleton） | 保證獨一無二 | CEO | BeanFactory、Runtime |
| 原型模式（Prototype） | 高效創建對象 | 克隆 | ArrayList、PrototypeBean |
| 建造者模式（Builder） | 開放個性配置步驟 | 選配 | StringBuilder、BeanDefinationBuilder |

- **二、結構型模式（Structural）**

適合不同情境下的物件間關係結構，藉由從上到下的方式來了解元件間的關係，以簡化設計。

| 設計模式 | 目的 | 生活案例 | 框架源碼舉例 |
| :---------------------- | :--------------------------------------------- | :----------- | :-------------------------------------------------------- |
| 代理模式（Proxy） | 增強職責 | 媒婆 | ProxyFactoryBean、JdkDynamicAopProxy、CglibAopProxy |
| 門面模式（Facade） | 統一訪問入口 | 前台、導診台 | JdbcUtils、RequestFacade |
| 裝飾器模式（Decorator） |靈活擴展、同宗同源 | 煎餅 | BufferedReader、InputStream |
| 享元模式（Flyweight） |共享資源池 | 全國社保聯網 | String、Integer、ObjectPool |
| 組合模式（Composite） | 統一整體和個體 | 組織架構樹 | HashMap、SqlNode |
| 適配器模式（Adapter） | 兼容轉換 | 電源適配 | AdvisorAdapter（Spring AoP）、HandlerAdapter（SpringMVC） |
| 橋接模式（Bridge） | 不允許用繼承 | 橋 | DriverManager |

- **三、行為型模式（Behavioral）**

物件之間的合作行為構成的程式行為，物件之間若有設計良好的行為互動，可以使得程式執行時更有效率，且職責更為清晰、整個程式的結構將更有彈性。

| 設計模式 | 目的 | 生活案例 | 框架源碼舉例 |
| :------------------------------------ | :--------------------- | :------------------- | :---------------------------------------- |
| 委派模式（Delegate） | 只對結果負責 | 授權委託書 | ClassLoader、BeanDefinitionParserDelegate |
| 模板模式（Template） | 邏輯復用 | 把大象裝進冰箱的步驟 | JdbcTemplate、HttpServlet |
| 策略模式（Strategy） | 選擇支付方式 | Comparator、InstantiationStrategy |
| 責任鏈模式（Chain of Responsibility） | 解耦處理邏輯 | 踢皮球 | FilterChain、Pipeline |
| 迭代器模式（Iterator） | 統一對集合的訪問方式 | 統一刷臉進站 | Iterator |
| 命令模式（Command） | 解耦請求和處理 | 遙控器 | Runnable、TestCase |
| 狀態模式（State） | 綁定狀態和行為 | 訂單狀態跟蹤 | Lifecycle |
| 備忘錄模式（Memento） | 備份 | 草稿箱 | StateManageableMessageContext |
| 中介者模式（Mediator） | 統一管理網狀資源 | 朋友圈 | Timer |
| 解釋器模式（Interpreter） | 實現特定語法解析 | 摩斯密碼 | Pattern、ExpressionParser |
| 觀察者模式（Observer） | 解耦觀察者與被觀察者 | 鬧鐘 | ContextLoaderListener |
| 訪問者模式（Visitor） | 解耦數據結構和數據操作 | KPI考核 | FileVisitor、BeanDefinitionVisitor |

## 單例模式

單例模式（Singleton），其定義為：==只有一個實例，而且自行實例化並向整個系統提供這個實例。==

- 創建型模式
- 必須要創建自己的實例
- 需確保只有一個對象被創建
- 該類別提供一個方法取得被創建的唯一物件

> **補充**
>
> 適合場景為存取ＩＯ和資料庫等資源時，適合使用該模式，例如像資料庫連線通常只要一個就夠了，多個連線容易造成資料庫負擔，或是在同一個程式內，過多的資料庫連線，也會造成系統資源的負擔。

### 建立單例模式

##### 積極模式

public class Singleton {  
     private static Singleton instance = new Singleton();
     
     private Singleton() {
     }
     
     public static Singleton getInstance() {  
         return instance;  
     }  
 }  

積極模式在宣告靜態物件的時候就已經初始化。

##### 懶散模式(Lazy)

public class Singleton{
    private static Singleton instance;
    
    //私有的建構式讓別人不能創造
    private Singleton (){}
    
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null)
        {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

懶散模式(Lazy)在呼叫getInstance時才進行初始化，且非執行緒安全，可以在getInstance()方法上加上synchronized來達到執行緒安全，但是這樣做的話效率會很低。

##### 雙重鎖模式

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){

        // 第一層判斷為了避免不必要的同步
        if(instance == null){
            
            synchronized (Singleton.class){
                // 第二層判斷為了在null的狀況下建立實例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }

        return instance;
    }
}

instance = new Singleton();

上面這段程式碼看起來只有一段，但其實不是原子操作，這句程式碼會被編譯成多條組合指令，大致上做了三件事：

1. 給Singleton的實例分配記憶體；
2. 呼叫Singleton的建構函數，初始化成員欄位；
3. 將instance物件指向分配的記憶體空間(此時instance不是null)。

但是由於Java編譯器允許失序執行，所以 2. 和 3. 的順序是無法保證的，有可能 1-2-3 也有可能 1-3-2 。如果在 3. 執行完畢、2. 還沒執行之前，切換到線程Ｂ，那instance已經不是null，此時Ｂ取走instance再使用就會出錯。

##### 靜態內部類別模式

public class StaticInnerClass {
    private StaticInnerClass(){}

    public static StaticInnerClass getInstance(){
        return StaticInnerClassHolder.instance;
    }

    /**
     * 靜態的內部類別
     */
    private static class StaticInnerClassHolder{
        private static StaticInnerClass instance = new StaticInnerClass();
    }
}

可以確保線程安全，保證物件唯一性，並且延遲實例化，所以推薦使用。

##### 列舉模式

public enum Singleton {  
     INSTANCE;  
     
     public void doSomeThing() {  
     }  
 }  

可讀性並不是很高，較少使用。

## 2021-09-04
單例模式

class RemoteDatabase {
    private static RemoteDatabase instance = null;

    private RemoteDatabase() {

    }

    public static RemoteDatabase getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new RemoteDatabase();
        }

        return instance;
    }

    public boolean connect(String ip) {
        int result = (int)(Math.random() * 2);

        return result == 0 ? true : false;
    }

    public void close() {
        System.out.println("Connection closed.");
    }
}

public class App {
    public static void main(String[] argc) throws InterruptedException {
        RemoteDatabase remoteDatabase = RemoteDatabase.getInstance();
        
        System.out.println("資料庫連線....");
        Thread.sleep(1000); // 延遲1秒鐘

        if(remoteDatabase.connect("192.168.0.1") == true)
            System.out.println("連線成功");
        else
            System.out.println("連線失敗");

        System.out.println("資料庫操作....");
        Thread.sleep(1000); // 延遲1秒鐘

        remoteDatabase.close();
    }
}