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23种设计模式

news 2025/4/29 6:30:17

23种设计模式总结（大白话，适合小白），完整例子讲解，明白怎么用，什么时候用，对比优缺点，不同之处

23种设计模式大白话总结（适合小白）

设计模式是解决代码问题的“经典套路”，就像烹饪的固定配方。以下是最通俗的解释+生活例子+代码片段，帮你快速理解每种模式的核心思想、适用场景和优缺点，并对比不同模式的区别！

一、创建型模式（5种）

核心目标：解决对象创建的问题，让代码灵活生成实例。

1. 单例模式（Singleton）

是什么：确保一个类只有一个实例，全局可访问。
例子：数据库连接池、全局配置对象。
代码：

java

public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {} // 私有构造public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}

何时用：需要严格控制实例数量时（如共享资源）。
优点：节省内存，避免重复创建。
缺点：多线程需加锁（可用双重检查锁优化）。

2. 工厂方法模式（Factory Method）

是什么：定义一个创建对象的接口，让子类决定实例化哪个类。
例子：物流系统，不同运输方式（卡车、轮船）由不同子工厂创建。
代码：

java

interface Transport {void deliver();
}
class Truck implements Transport {public void deliver() { System.out.println("陆运"); }
}
class Ship implements Transport {public void deliver() { System.out.println("海运"); }
}// 工厂接口
interface Logistics {Transport createTransport();
}
class RoadLogistics implements Logistics {public Transport createTransport() { return new Truck(); }
}
class SeaLogistics implements Logistics {public Transport createTransport() { return new Ship(); }
}

何时用：需要解耦对象创建和使用时。
优点：扩展性强（新增运输方式只需加子类）。
缺点：每新增一个产品就要新增一个工厂类。

3. 抽象工厂模式（Abstract Factory）

是什么：创建成套相关对象（如GUI组件：按钮+文本框）。
例子：Windows风格工厂生产Windows按钮和文本框，Mac工厂生产Mac风格组件。
代码：

java

interface Button { void render(); }
interface TextBox { void input(); }// Windows 系列组件
class WinButton implements Button {public void render() { System.out.println("Windows 按钮"); }
}
class WinTextBox implements TextBox {public void input() { System.out.println("Windows 输入框"); }
}// Mac 系列组件
class MacButton implements Button {public void render() { System.out.println("Mac 按钮"); }
}
class MacTextBox implements TextBox {public void input() { System.out.println("Mac 输入框"); }
}// 抽象工厂
interface GUIFactory {Button createButton();TextBox createTextBox();
}
class WinFactory implements GUIFactory {public Button createButton() { return new WinButton(); }public TextBox createTextBox() { return new WinTextBox(); }
}
class MacFactory implements GUIFactory {public Button createButton() { return new MacButton(); }public TextBox createTextBox() { return new MacTextBox(); }
}

何时用：需要保证产品兼容性时。
优点：产品族一致性高。
缺点：新增产品族需修改所有工厂。

4. 建造者模式（Builder）

是什么：分步骤构造复杂对象，支持灵活组合参数。
例子：组装电脑（CPU、内存、硬盘可自定义）。
代码：

java

class Computer {private String CPU;private String RAM;// 私有构造，只能通过Builder创建private Computer(Builder builder) {this.CPU = builder.CPU;this.RAM = builder.RAM;}// 建造者public static class Builder {private String CPU;private String RAM;public Builder setCPU(String cpu) { this.CPU = cpu; return this; }public Builder setRAM(String ram) { this.RAM = ram; return this; }public Computer build() { return new Computer(this); }}
}// 使用
Computer myPC = new Computer.Builder().setCPU("Intel i9").setRAM("32GB").build();

何时用：对象构造参数多且可选时。
优点：避免构造方法过长。
缺点：代码量增加。

5. 原型模式（Prototype）

是什么：通过克隆现有对象创建新对象（而非new）。
例子：游戏中的怪物快速复制。
代码：

java

class Monster implements Cloneable {private String type;public Monster(String type) { this.type = type; }@Overridepublic Monster clone() throws CloneNotSupportedException {return (Monster) super.clone();}
}// 使用
Monster dragon = new Monster("Dragon");
Monster dragon2 = dragon.clone(); // 克隆而不是新建

何时用：对象创建成本高时（如数据库初始化）。
优点：性能高（比new快）。
缺点：深拷贝需额外处理。

二、结构型模式（7种）

结构型设计模式主要解决如何组合类和对象来形成更大的结构，同时保持灵活性和可复用性。

核心目标：解决类和对象的组合问题，优化代码结构。

6. 适配器模式（Adapter）

是什么：让不兼容的接口协同工作。
例子：Type-C转3.5mm耳机转接头。
代码：

java

// 旧接口（3.5mm耳机）
interface OldHeadphone {void playSound();
}
// 新接口（Type-C）
interface TypeC {void transmitDigital();
}
// 适配器
class Adapter implements OldHeadphone {private TypeC typeC;public Adapter(TypeC typeC) { this.typeC = typeC; }public void playSound() {typeC.transmitDigital(); // 调用新接口的方法}
}

何时用：旧系统兼容新接口时，整合老代码或第三方库时接口不兼容。
优点：无需修改原有代码，让不兼容的类一起工作。
缺点：增加调用层级，代码复杂度增加。

7. 装饰器模式（Decorator）

是什么：动态给对象添加功能（替代继承）。
例子：给人穿不同衣服（装饰），给咖啡加糖、加牛奶。
代码：

java

// 基础接口
interface Coffee {int cost();
}// 基础实现
class BasicCoffee implements Coffee {@Overridepublic int cost() {return 10;}
}// 装饰器基类
abstract class CoffeeDecorator implements Coffee {protected Coffee coffee;public CoffeeDecorator(Coffee coffee) {this.coffee = coffee;}
}// 具体装饰器（加糖）
class SugarDecorator extends CoffeeDecorator {public SugarDecorator(Coffee coffee) {super(coffee);}@Overridepublic int cost() {return coffee.cost() + 2;}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {Coffee coffee = new BasicCoffee();coffee = new SugarDecorator(coffee);System.out.println(coffee.cost()); // 输出12}
}

何时用：不想用继承，但需要动态扩展功能，需要灵活扩展对象功能时。
优点：灵活，避免继承导致的类爆炸。
缺点：多层装饰复杂，可能难调试。

8. 代理模式（Proxy）

是什么：通过代理控制对象访问（如权限验证）。
例子：延迟加载图片。
代码：

java

interface Image {void display();
}// 真实图片
class RealImage implements Image {private String filename;public RealImage(String filename) {this.filename = filename;loadFromDisk();}private void loadFromDisk() {System.out.println("加载图片: " + filename);}@Overridepublic void display() {System.out.println("显示图片: " + filename);}
}// 代理类
class ProxyImage implements Image {private String filename;private RealImage realImage;public ProxyImage(String filename) {this.filename = filename;}@Overridepublic void display() {if (realImage == null) {realImage = new RealImage(filename);}realImage.display();}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {Image image = new ProxyImage("photo.jpg");image.display(); // 第一次真正加载image.display(); // 直接使用缓存}
}

何时用：需要延迟加载或权限控制时。
优点：解耦客户端和实际对象，保护目标对象。
缺点：增加请求处理时间。

9. 组合模式（Composite）

是什么：统一处理单个对象和组合对象，用树形结构表示“部分-整体”关系。
例子：文件系统（文件夹包含文件/子文件夹）。
代码：

java

interface Component {void operation();
}// 叶子节点（文件）
class Leaf implements Component {@Overridepublic void operation() {System.out.println("执行叶子节点操作");}
}// 组合节点（文件夹）
class Composite implements Component {private List<Component> children = new ArrayList<>();public void add(Component component) {children.add(component);}@Overridepublic void operation() {for (Component child : children) {child.operation();}}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {Composite root = new Composite();root.add(new Leaf());root.add(new Leaf());root.operation(); // 输出两次叶子操作}
}

何时用：处理树形结构（菜单、文件系统）。
优点：统一处理单个对象和组合对象。
缺点：设计抽象，业务复杂时难实现，叶子节点可能被迫实现不相关的方法。

10. 桥接模式（Bridge）

是什么：将抽象与实现分离，各自独立变化。
例子：不同颜色和形状的图形（如红色圆形、蓝色方形）。
代码：

java

abstract class Shape {protected Color color;public Shape(Color color) { this.color = color; }
}
class Circle extends Shape { /* 具体实现 */ }

java

// 实现部分（渲染器）
interface Renderer {void renderCircle(int radius);
}class VectorRenderer implements Renderer {@Overridepublic void renderCircle(int radius) {System.out.println("矢量圆，半径" + radius);}
}// 抽象部分（形状）
abstract class Shape {protected Renderer renderer;public Shape(Renderer renderer) {this.renderer = renderer;}abstract void draw();
}class Circle extends Shape {private int radius;public Circle(Renderer renderer, int radius) {super(renderer);this.radius = radius;}@Overridevoid draw() {renderer.renderCircle(radius);}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {Renderer vectorRenderer = new VectorRenderer();Circle circle = new Circle(vectorRenderer, 5);circle.draw(); // 输出矢量圆，半径5}
}

何时用：避免多层继承，独立扩展不同维度，多维度变化的场景。
优点：减少类数量，灵活扩展，解耦抽象和实现。
缺点：设计复杂度高。

11. 享元模式（Flyweight）

是什么：共享大量细粒度对象（如文字处理中的字符库），共享对象以减少内存占用。
例子：游戏中的重复小兵模型共享。
代码：

java

class Bullet {private final String type; // 内部状态（可共享）public Bullet(String type) {this.type = type;}public void fire(int x, int y) { // 外部状态由参数传递System.out.println(type + "子弹发射到(" + x + "," + y + ")");}
}class BulletFactory {private static final Map<String, Bullet> bullets = new HashMap<>();public static Bullet getBullet(String type) {if (!bullets.containsKey(type)) {bullets.put(type, new Bullet(type));}return bullets.get(type);}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {Bullet bullet1 = BulletFactory.getBullet("9mm");Bullet bullet2 = BulletFactory.getBullet("9mm");System.out.println(bullet1 == bullet2); // 输出truebullet1.fire(100, 200);}
}

何时用：系统有大量相似对象时，需要减少内存开销时。
优点：节省内存，大幅降低内存占用。
缺点：需要区分内部/外部状态。

12. 外观模式（Facade）

是什么：提供一个简化接口，隐藏系统复杂性，为复杂子系统提供统一入口。
例子：一键启动电脑（封装开机自检、加载系统等步骤）。
代码：

java

class CPU {void start() { System.out.println("CPU启动"); }
}class Memory {void start() { System.out.println("内存启动"); }
}// 外观类（一键开机）
class ComputerFacade {private CPU cpu;private Memory memory;public ComputerFacade() {cpu = new CPU();memory = new Memory();}public void start() {cpu.start();memory.start();}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {ComputerFacade computer = new ComputerFacade();computer.start(); // 隐藏复杂步骤}
}

何时用：简化客户端调用复杂系统时。
优点：降低使用复杂度。
缺点：不符合开闭原则（修改需改外观类），外观类可能变成“上帝类”。

三、行为型模式（11种）

行为型设计模式主要解决 对象之间的交互和职责分配，让代码更灵活、可维护。

核心目标：解决对象间的交互与职责分配问题。

13. 观察者模式（Observer）

是什么：一对多依赖，对象状态变化时通知所有依赖者。
例子：微信公众号（发布文章时通知所有订阅用户）。
代码：

java

// 观察者接口
interface Subscriber {void update(String message);
}// 被观察者（主题）
class WeChatPublicAccount {private List<Subscriber> subscribers = new ArrayList<>();public void addSubscriber(Subscriber sub) {subscribers.add(sub);}public void notifySubscribers(String message) {for (Subscriber sub : subscribers) {sub.update(message);}}
}// 具体观察者
class User implements Subscriber {private String name;public User(String name) {this.name = name;}@Overridepublic void update(String message) {System.out.println(name + " 收到消息：" + message);}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {WeChatPublicAccount account = new WeChatPublicAccount();account.addSubscriber(new User("张三"));account.addSubscriber(new User("李四"));account.notifySubscribers("新文章发布了！");}
}

何时用：需要动态联动多个对象时。
优点：解耦观察者和被观察者。
缺点：通知顺序可能影响效率。

14. 策略模式（Strategy）

是什么：封装算法族，可动态切换。
例子：支付方式（支付宝、微信、银行卡）。
代码：

java

// 策略接口
interface PaymentStrategy {void pay(int amount);
}// 具体策略
class Alipay implements PaymentStrategy {@Overridepublic void pay(int amount) {System.out.println("支付宝支付：" + amount + "元");}
}class WechatPay implements PaymentStrategy {@Overridepublic void pay(int amount) {System.out.println("微信支付：" + amount + "元");}
}// 上下文（使用策略的类）
class ShoppingCart {private PaymentStrategy strategy;public void setStrategy(PaymentStrategy strategy) {this.strategy = strategy;}public void checkout(int amount) {strategy.pay(amount);}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {ShoppingCart cart = new ShoppingCart();cart.setStrategy(new Alipay());cart.checkout(100);  // 支付宝支付：100元}
}

何时用：需要灵活替换算法时。
优点：避免多重条件判断。
缺点：策略类数量多。

15. 模板方法模式（Template Method）

是什么：定义算法骨架，子类实现细节。
例子：咖啡和茶的制作流程（烧水、冲泡、加料）。
代码：

java

abstract class Beverage {// 模板方法（固定流程）public final void prepare() {boilWater();brew();pourInCup();addCondiments();}void boilWater() {System.out.println("烧水");}abstract void brew();       // 子类实现abstract void addCondiments();void pourInCup() {System.out.println("倒入杯子");}
}class Coffee extends Beverage {@Overridevoid brew() {System.out.println("冲泡咖啡粉");}@Overridevoid addCondiments() {System.out.println("加糖和牛奶");}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {Beverage coffee = new Coffee();coffee.prepare();  // 执行模板方法}
}

何时用：多个子类有公共流程时。
优点：代码复用性强。
缺点：子类可能影响父类逻辑。

16. 责任链模式（Chain of Responsibility）

是什么：将请求沿处理链传递，直到被处理。
例子：审批流程（员工→经理→CEO）。
代码：

java

// 处理者接口
interface Handler {void setNext(Handler next);void handleRequest(int amount);
}// 具体处理者
class GroupLeader implements Handler {private Handler next;@Overridepublic void setNext(Handler next) {this.next = next;}@Overridepublic void handleRequest(int amount) {if (amount <= 1000) {System.out.println("组长审批通过");} else if (next != null) {next.handleRequest(amount);}}
}class Manager implements Handler {private Handler next;@Overridepublic void setNext(Handler next) {this.next = next;}@Overridepublic void handleRequest(int amount) {if (amount <= 5000) {System.out.println("经理审批通过");} else if (next != null) {next.handleRequest(amount);}}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {Handler groupLeader = new GroupLeader();Handler manager = new Manager();groupLeader.setNext(manager);groupLeader.handleRequest(3000);  // 经理审批通过}
}

何时用：请求需多级处理时。
优点：解耦请求和处理者。
缺点：链长时性能低。

17. 状态模式（State）

是什么：对象行为随内部状态改变而改变。
例子：订单状态（待支付→已发货→已完成）。
代码：

java

// 状态接口
interface State {void handle();
}// 具体状态
class OnState implements State {@Overridepublic void handle() {System.out.println("灯已开");}
}class OffState implements State {@Overridepublic void handle() {System.out.println("灯已关");}
}// 上下文（状态持有者）
class LightSwitch {private State state;public void setState(State state) {this.state = state;}public void press() {state.handle();}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {LightSwitch light = new LightSwitch();light.setState(new OffState());light.press();  // 灯已关light.setState(new OnState());light.press();  // 灯已开}
}

何时用：对象有多个状态且行为不同时。
优点：取代大量if-else判断。
缺点：状态类数量多。

18. 命令模式（Command）

是什么：将请求封装为对象，支持撤销、排队。
例子：遥控器按键（每个按键对应一个命令）。
代码：

java

// 命令接口
interface Command {void execute();
}// 具体命令（开灯）
class LightOnCommand implements Command {private Light light;public LightOnCommand(Light light) {this.light = light;}@Overridepublic void execute() {light.turnOn();}
}// 接收者（实际执行操作的对象）
class Light {public void turnOn() {System.out.println("灯亮了");}
}// 调用者（遥控器按钮）
class RemoteControl {private Command command;public void setCommand(Command command) {this.command = command;}public void pressButton() {command.execute();}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {Light light = new Light();Command lightOn = new LightOnCommand(light);RemoteControl remote = new RemoteControl();remote.setCommand(lightOn);remote.pressButton();  // 灯亮了}
}

何时用：需要记录操作历史或支持撤销时。
优点：解耦请求发起者和执行者。
缺点：命令类膨胀36。

19. 中介者模式（Mediator）

是什么：通过中介对象管理多个对象交互。
例子：聊天室（用户不直接对话，通过服务器中转）。
代码：

java

class ChatRoom {public static void send(User user, String msg) { /* 转发消息 */ }
}

何时用：多对象交互复杂时。
优点：减少类间依赖。
缺点：中介类可能过于复杂。

20. 访问者模式（Visitor）

是什么：在不修改类的前提下，为类添加新操作。
例子：超市商品计价（不同商品类型用不同计价策略）。
代码：

java

// 元素接口（商品）
interface Product {void accept(Visitor visitor);
}// 具体元素
class Book implements Product {@Overridepublic void accept(Visitor visitor) {visitor.visit(this);}public double getPrice() {return 50.0;}
}// 访问者接口
interface Visitor {void visit(Book book);
}// 具体访问者（价格计算）
class PriceVisitor implements Visitor {@Overridepublic void visit(Book book) {System.out.println("书的价格：" + book.getPrice());}
}// 使用
public class Main {public static void main(String[] args) {Product book = new Book();Visitor visitor = new PriceVisitor();book.accept(visitor);  // 书的价格：50.0}
}

何时用：需为复杂对象结构添加新功能时。
优点：符合开闭原则。
缺点：增加新元素类困难。

21. 备忘录模式（Memento）

是什么：保存对象状态，支持回滚。
例子：游戏存档。
代码：

java

复制

class Game {private String state;public Memento save() { return new Memento(state); }public void load(Memento m) { state = m.getState(); }
}

何时用：需要撤销/恢复功能时。
优点：状态保存与业务逻辑分离。
缺点：消耗内存。

22. 迭代器模式（Iterator）

是什么：提供统一方式遍历集合元素。
例子：遍历书架的书籍（隐藏底层存储结构）。
代码：

java

复制

interface Iterator { boolean hasNext(); Object next();
}

何时用：需要统一遍历不同数据结构时。
优点：隐藏集合内部实现。
缺点：增加额外类。

23. 解释器模式（Interpreter）

是什么：定义语法规则，解释特定语言。
例子：SQL解析、数学表达式计算。
代码：

java

复制

interface Expression { int interpret(Context context); }
class Add implements Expression {private Expression left, right;public int interpret(Context c) { return left.interpret(c) + right.interpret(c); }
}

何时用：需要解析特定语法时。
优点：易于扩展语法规则。
缺点：复杂语法难维护。

四、模式对比与总结

1. 创建型模式对比

模式	核心思想	典型应用场景
单例模式	全局唯一实例	配置管理、线程池
工厂方法	子类决定创建对象	物流运输、支付方式
抽象工厂	创建成套对象	跨平台UI组件库
建造者	分步骤构造复杂对象	自定义电脑配置
原型模式	克隆代替新建	游戏怪物生成

2. 行为型模式对比

对比总结

模式	核心区别	适用场景
适配器	转换接口，让旧代码兼容新系统	接口不兼容
装饰器	动态添加功能，不修改原类	灵活扩展功能
代理	控制访问（权限、延迟加载）	保护或优化访问
组合	统一处理树形结构的节点	菜单、文件系统
外观	简化复杂系统的调用入口	提供简洁接口
桥接	分离抽象和实现，避免类爆炸	多维度独立变化
享元	共享对象，减少内存占用	大量重复对象

如何选择：

要兼容接口？→ 适配器
动态加功能？→ 装饰器
控制访问？→ 代理
处理树形结构？→ 组合
简化复杂调用？→ 外观
避免多维继承？→ 桥接
节省内存？→ 享元

实际应用场景：

适配器：Java 的 InputStreamReader 将字节流转换为字符流。
装饰器：Java IO 中的 BufferedReader 包装 FileReader。
代理：Spring AOP 中的动态代理。
享元：Java 的 String 常量池。

3. 结构型模式对比

对比总结

模式	核心区别	适用场景
策略模式	动态切换算法（如支付方式）	多种算法需要灵活替换
观察者模式	一对多依赖通知（如消息订阅）	对象状态变化通知其他对象
责任链模式	链式处理请求（如审批流程）	请求需要多个对象处理
命令模式	封装请求为对象（如遥控器按钮）	请求参数化、队列化
模板方法模式	固定流程，子类实现细节（如冲泡饮料）	多个类有相同流程但不同步骤
状态模式	对象行为随状态改变（如电灯开关）	对象状态影响行为
访问者模式	分离算法与对象结构（如统计商品价格）	对复杂结构执行多种操作