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原型模式、建造者模式

原型模式

原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，它允许你通过复制现有对象来创建新对象，而不是通过实例化类。这种模式在需要大量相似对象时非常有用，因为它可以减少创建对象的开销。

原型模式的應用場景

1. 性能和资源管理：当创建对象的代价较大时，可以使用原型模式减少创建对象的开销。
2. 避免构造函数的复杂性：如果对象的创建过程非常复杂，可以通过克隆已有对象来简化创建过程。
3. 隔离复杂对象的创建：在某些情况下，直接使用构造函数可能会使代码变得复杂，而通过克隆可以简化代码。
4. 缓存实例：在某些场景下，可以预先创建一些对象并缓存起来，需要时直接克隆这些对象。

Java 原型模式的代碼實例

以下是一个简单的Java示例，展示了如何使用原型模式：

// 定义一个抽象的原型接口
interface Prototype {Prototype clone();
}// 实现具体的原型类
class ConcretePrototype implements Prototype {private String field;public ConcretePrototype(String field) {this.field = field;}@Overridepublic Prototype clone() {return new ConcretePrototype(this.field);}@Overridepublic String toString() {return "ConcretePrototype{" +"field='" + field + '\'' +'}';}
}// 客户端代码
public class PrototypePatternDemo {public static void main(String[] args) {// 创建一个原始对象ConcretePrototype original = new ConcretePrototype("Original");System.out.println("Original: " + original);// 克隆原始对象ConcretePrototype clone = (ConcretePrototype) original.clone();System.out.println("Clone: " + clone);}
}

在这个示例中：

1. Prototype接口定义了一个clone方法，用于克隆对象。
2. ConcretePrototype类实现了Prototype接口，并提供了clone方法的具体实现。
3. 在客户端代码中，我们创建了一个原始对象，并通过调用clone方法创建了它的副本。

这样，通过原型模式，我们可以方便地创建对象的副本，而不需要每次都通过构造函数来创建新的对象。

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建造者模式

建造者模式（Builder Pattern）是一种创建型设计模式，它允许你通过一步一步地构建复杂对象。这种模式特别适用于需要创建具有多个可选参数的对象时，可以避免构造函数参数过多的问题。

建造者模式的應用場景

1. 复杂对象的创建：当一个对象有很多属性，并且这些属性可能有不同的组合时，使用建造者模式可以简化对象的创建过程。
2. 避免构造函数参数过多：如果一个类的构造函数有多个参数，使用建造者模式可以使代码更加清晰和易于维护。
3. 不可变对象：在创建不可变对象时，建造者模式可以帮助确保对象在构建过程中不会被修改。
4. 流式接口：建造者模式通常提供流式接口，使代码更具可读性。

Java 建造者模式的代碼實例

以下是一个简单的Java示例，展示了如何使用建造者模式：

// 产品类
class Product {private String partA;private String partB;private String partC;public void setPartA(String partA) { this.partA = partA; }public void setPartB(String partB) { this.partB = partB; }public void setPartC(String partC) { this.partC = partC; }@Overridepublic String toString() {return "Product{" +"partA='" + partA + '\'' +", partB='" + partB + '\'' +", partC='" + partC + '\'' +'}';}
}// 抽象建造者类
abstract class Builder {protected Product product = new Product();public abstract void buildPartA();public abstract void buildPartB();public abstract void buildPartC();public Product getResult() {return product;}
}// 具体建造者类
class ConcreteBuilder extends Builder {@Overridepublic void buildPartA() {product.setPartA("Part A");}@Overridepublic void buildPartB() {product.setPartB("Part B");}@Overridepublic void buildPartC() {product.setPartC("Part C");}
}// 指挥者类
class Director {private Builder builder;public Director(Builder builder) {this.builder = builder;}public void construct() {builder.buildPartA();builder.buildPartB();builder.buildPartC();}
}// 客户端代码
public class BuilderPatternDemo {public static void main(String[] args) {Builder builder = new ConcreteBuilder();Director director = new Director(builder);director.construct();Product product = builder.getResult();System.out.println(product);}
}

在这个示例中：

1. Product类是我们要构建的复杂对象。
2. Builder是一个抽象类，定义了构建不同部分的方法。
3. ConcreteBuilder是具体的建造者类，实现了Builder类的方法。
4. Director类负责控制建造过程，按照一定的顺序调用建造者的方法。
5. 在客户端代码中，我们创建了一个具体的建造者实例和一个指挥者实例，然后通过指挥者来构建产品。

这样，通过建造者模式，我们可以灵活地构建复杂对象，同时保持代码的清晰和可维护性。

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单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是Java设计模式中最简单的一种，它确保一个类在整个应用程序运行期间只有一个实例，并提供一个全局访问点。这种模式在需要控制资源唯一性或对共享资源进行管理时非常有用。

单例模式是一种创建型设计模式，其目的是确保某个类在系统中只有一个实例存在，并提供一个全局访问该实例的方法。通过这种方式，可以有效地控制资源的使用，避免不必要的实例化开销。单例模式适用于以下场景：

• 需要控制资源的唯一性，如数据库连接池、配置文件管理器等。
• 需要对共享资源进行集中管理，如线程池、日志记录器等。

二、单例模式的实现方式

单例模式有多种实现方法，主要包括懒汉式、饿汉式、双重检查锁和静态内部类。每种方法都有其优缺点，适用于不同的场景。

1. 懒汉式（Lazy Initialization）

懒汉式单例模式只有在第一次使用时才会创建实例。这种方式适用于实例化开销较大的对象，且该对象在程序运行初期不一定会被使用。

代码示例：

public class LazySingleton {private static LazySingleton instance;private LazySingleton() {// 私有化构造函数}public static synchronized LazySingleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new LazySingleton();}return instance;}
}

适用场景：

• 实例化开销较大的对象。
• 程序启动时不需要立即加载的对象。

优缺点：

• 优点：延迟加载，减少内存开销。
• 缺点：多线程环境下性能较差，因为每次获取实例时都需要进行同步。

2. 饿汉式（Eager Initialization）

饿汉式单例模式在类加载时就创建实例，适用于程序运行过程中必然会使用到的实例。

代码示例：

public class EagerSingleton {private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();private EagerSingleton() {// 私有化构造函数}public static EagerSingleton getInstance() {return instance;}
}

适用场景：

• 启动时需要立即加载并长期使用的对象。

优缺点：

• 优点：实现简单，线程安全。
• 缺点：由于实例是在类加载时创建的，可能会导致内存浪费，尤其是在实例一直没有被使用的情况下。

3. 双重检查锁（Double-Check Locking）

双重检查锁机制在多线程环境下使用，确保实例的唯一性和线程安全性。

代码示例：

public class DoubleCheckedLockingSingleton {private static volatile DoubleCheckedLockingSingleton instance;private DoubleCheckedLockingSingleton() {// 私有化构造函数}public static DoubleCheckedLockingSingleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (DoubleCheckedLockingSingleton.class) {if (instance == null) {instance = new DoubleCheckedLockingSingleton();}}}return instance;}
}

适用场景：

• 需要延迟加载单例对象且需要确保多线程安全的场景。

优缺点：

• 优点：线程安全，避免了不必要的同步开销。
• 缺点：实现复杂，可能会增加代码的可维护性难度。

4. 静态内部类（Static Inner Class）

利用Java的类加载机制，静态内部类实现单例模式既实现了延迟加载，又保证了线程安全。

代码示例：

public class StaticInnerClassSingleton {private StaticInnerClassSingleton() {// 私有化构造函数}private static class SingletonHelper {private static final StaticInnerClassSingleton INSTANCE = new StaticInnerClassSingleton();}public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {return SingletonHelper.INSTANCE;}
}

适用场景：

• 需要延迟加载但不希望增加代码复杂度的场景。

优缺点：

• 优点：延迟加载，线程安全，且实现简单。
• 缺点：无法在实例化时传递参数。

三、单例模式的应用场景

单例模式在实际应用中非常广泛，特别是在需要控制资源唯一性的场合。以下是几个典型的应用场景：

1. 配置管理器

在一个电商系统中，各种配置如数据库连接、API密钥等通常都是全局的且不会频繁更改。这些配置数据可以封装在一个配置管理器类中，并使用单例模式来确保只有一个实例来管理所有配置。

代码示例：

public class ConfigurationManager {private static ConfigurationManager instance;private Properties properties;private ConfigurationManager() {properties = new Properties();// 加载配置文件try (InputStream input = new FileInputStream("config.properties")) {properties.load(input);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static synchronized ConfigurationManager getInstance() {if (instance == null) {instance = new ConfigurationManager();}return instance;}// 获取配置信息的方法public String getProperty(String key) {return properties.getProperty(key);}
}

在这个例子中，ConfigurationManager类使用了懒汉式单例模式，确保配置文件只被加载一次，并且在应用程序的任何地方都可以通过ConfigurationManager.getInstance()来获取配置实例。

2. 数据库连接池

数据库连接池是用来管理和复用数据库连接的对象。为了避免频繁创建和销毁连接带来的性能开销，可以使用单例模式来管理连接池。

代码示例：

public class DatabaseConnectionPool {private static DatabaseConnectionPool instance;private List<Connection> connections;private DatabaseConnectionPool() {connections = new ArrayList<>();// 初始化连接池中的连接for (int i = 0; i < 10; i++) {connections.add(createConnection());}}public static synchronized DatabaseConnectionPool getInstance() {if (instance == null) {instance = new DatabaseConnectionPool();}return instance;}// 获取连接的方法public Connection getConnection() {if (connections.isEmpty()) {throw new SQLException("No available connections");} else {return connections.remove(connections.size() - 1);}}// 释放连接的方法public void releaseConnection(Connection connection) {connections.add(connection);}
}

在这个例子中，DatabaseConnectionPool类使用了懒汉式单例模式，确保连接池只被初始化一次，并且在应用程序的任何地方都可以通过DatabaseConnectionPool.getInstance()来获取连接池实例。

3. 日志记录器

在大型应用中，日志记录通常由一个集中的日志记录器负责。通过单例模式，可以确保日志记录器的唯一性，避免多个实例导致的日志混乱。

代码示例：

public class Logger {private static Logger instance;private static List<String> logEntries;private Logger() { }public static synchronized Logger getInstance() {if (instance == null) {instance = new Logger();logEntries = new ArrayList<>();}return instance;}// 记录日志的方法public void log(String message) {logEntries.add(message);System.out.println(message); // 输出到控制台，也可以输出到文件或其他介质}
}

在这个例子中，Logger类使用了懒汉式单例模式，确保日志记录器只被初始化一次，并且在应用程序的任何地方都可以通过Logger.getInstance()来获取日志记录器实例。

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