设计模式：创建型与结构型模式解析

### 设计模式：创建型与结构型模式解析 #### 1. 创建型设计模式概述 创建型设计模式旨在管理对象的实例化，其主要目的包括： - 分离对象创建与系统。 - 支持通过继承进行对象创建。 - 封装系统使用的类信息。 - 保护对象创建细节。 常见的创建型设计模式有抽象工厂、建造者、工厂方法、原型、简单工厂和单例模式。 #### 2. 原型设计模式 - **目标**：减少对象创建所需的处理时间。 - **用例**：以游戏关卡创建系统为例，有一个`BaseLevel`原型类和三个具体原型类（`Dungeon`、`Forest`、`City`），每个具体原型类实现`BaseLevel`的`clone()`方法，不同的游戏关卡会应用不同的属性。 - **UML 类图**：包含`BaseLevel`类（有`clone()`方法），该方法被`Dungeon`、`Forest`、`City`三个子类重写，`LevelDriver`类包含`main()`方法驱动程序。 - **代码实现** - **BaseLevel 类**： ```java public abstract class BaseLevel implements Cloneable { public String levelName; public int numberOfNPCs; public int numberOfTokens; // 访问器方法 public String getLevelName() { return levelName; } public int getNumberOfNPCs() { return numberOfNPCs; } public int getNumberOfTokens() { return numberOfTokens; } // 修改器方法 public void setLevelName(String levelName) { this.levelName = levelName; } public void setNumberOfNPCs(int npc) { this.numberOfNPCs = npc; } public void setNumberOfTokens(int tokens) { this.numberOfTokens = tokens; } // 关卡克隆方法 public BaseLevel clone() throws CloneNotSupportedException { return (BaseLevel)super.clone(); } } ``` - **Dungeon 类**： ```java public class Dungeon extends BaseLevel { public Dungeon(String name) { levelName = name; } @Override public BaseLevel clone() throws CloneNotSupportedException { return (Dungeon)super.clone(); } } ``` - **Forest 类**： ```java public class Forest extends BaseLevel { public Forest(String name) { levelName = name; } @Override public BaseLevel clone() throws CloneNotSupportedException { return (Forest)super.clone(); } } ``` - **City 类**： ```java public class City extends BaseLevel { public City(String name) { levelName = name; } @Override public BaseLevel clone() throws CloneNotSupportedException { return (City)super.clone(); } } ``` - **LevelDriver 类**： ```java public class LevelDriver { public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException { System.out.println("\n\nGAME LEVEL CREATION\n"); // 创建地下城游戏关卡 BaseLevel dungeon = new Dungeon("Slasher\'s Dungeon Level 1"); dungeon.numberOfNPCs = 500; dungeon.numberOfTokens = 80; // 创建森林游戏关卡 BaseLevel forest = new Forest("Acid Rain Forest Level"); forest.numberOfNPCs = 250; forest.numberOfTokens = 120; // 创建城市游戏关卡 BaseLevel city = new City("Industrial City Level"); city.numberOfNPCs = 319; city.numberOfTokens = 600; // 克隆地下城对象 BaseLevel levelClone1; levelClone1 = dungeon.clone(); levelClone1.setLevelName("Slasher\'s Dungeon Level 2"); levelClone1.setNumberOfNPCs(1000); levelClone1.setNumberOfTokens(40); // 显示输出以验证功能 System.out.println("Dungeon Level information"); System.out.println("Level Name : " + dungeon.getLevelName()); System.out.println("Number of NPCS : " + dungeon.getNumberOfNPCs()); System.out.println("Number of Tokens: " + dungeon.getNumberOfTokens()); System.out.println("\nCloned Level information"); System.out.println("Level Name : " + levelClone1.getLevelName()); System.out.println("Number of NPCS : " + levelClone1.getNumberOfNPCs()); System.out.println("Number of Tokens: " + levelClone1.getNumberOfTokens()); } } ``` #### 3. 简单工厂设计模式 - **目标**：将对象创建委托给特定的类。 - **用例**：以割草机座椅创建系统为例，包含一个抽象`LawnMowerSeat`类、两个子类（`ResidentialLawnMowerSeat`、`CommercialLawnMowerSeat`）、一个工厂类`LawnMowerSeatFactory`和一个驱动类`LawnMowerSeatDriver`。 - **UML 类图**：抽象`LawnMowerSeat`类被`ResidentialLawnMowerSeat`和`CommercialLawnMowerSeat`类继承，`LawnMowerSeatDriver`类包含`main()`方法驱动系统执行。 - **代码实现** - **LawnMowerSeat 类**： ```java public abstract class LawnMowerSeat { public LawnMowerSeat() { } } ``` - **ResidentialLawnMowerSeat 类**： ```java public class ResidentialLawnMowerSeat extends LawnMowerSeat { public ResidentialLawnMowerSeat() { System.out.println("Residential lawnmower seat with seat belt created."); } } ``` - **CommercialLawnMowerSeat 类**： ```java public class CommercialLawnMowerSeat extends LawnMowerSeat { public CommercialLawnMowerSeat() { System.out.println("Commercial lawnmower seat with roll bar created."); } } ``` - **LawnMowerSeatFactory 类**： ```java public class LawnMowerSeatFactory { public enum LawnMowerType {RESIDENTIAL, COMMERCIAL}; public static LawnMowerSeat create(LawnMowerType mowerType) { if (mowerType == LawnMowerType.RESIDENTIAL) { return new ResidentialLawnMowerSeat(); } else if (mowerType == LawnMowerType.COMMERCIAL) { return new CommercialLawnMowerSeat(); } else { return null; } } } ``` - **LawnMowerSeatDriver 类**： ```java public class LawnMowerSeatDriver { public static void main(String[] args) { System.out.println("\n\n"); // 创建住宅用割草机座椅 LawnMowerSeat residential = LawnMowerSeatFactory.create(LawnMowerSeatFactory.LawnMowerType.RESIDENTIAL); // 创建商用割草机座椅 LawnMowerSeat commercial = LawnMowerSeatFactory.create(LawnMowerSeatFactory.LawnMowerType.COMMERCIAL); } } ``` #### 4. 单例设计模式 - **目标**：确保一个类只有一个实例，并且该实例可以从外部访问。常用于基于安全的系统，如银行系统生成新账户号码。 - **用例**：创建一个银行账户号码生成系统，有一个单例类，系统会尝试创建多个该单例类的实例以验证功能。 - **UML 类图**：只需要`CreateBankAccount`和`AccountDriver`两个类，`AccountDriver`类包含`main()`方法驱动程序执行。 - **代码实现** - **CreateBankAccount 类**： ```java public class CreateBankAccount { private static CreateBankAccount newAccount; // 构造函数 private CreateBankAccount() { } public static CreateBankAccount getNewAccount() { if (newAccount == null) { newAccount = new CreateBankAccount(); System.out.println("New Account created."); } else { System.out.println("Account already opened."); } return newAccount; } } ``` - **AccountDriver 类**： ```java public class AccountDriver { public static void main(String[] args) { System.out.println("\n\nBank Account Number Generation System"); // 创建新账户 CreateBankAccount account1 = CreateBankAccount.getNewAccount(); // 创建第二个账户 CreateBankAccount account2 = CreateBankAccount.getNewAccount(); } } ``` #### 5. 结构型设计模式概述 结构型设计模式关注对象和类如何组合形成系统，可分为两类： - **对象设计模式**：描述如何创建具有新功能的对象。 - **类设计模式**：利用继承创建接口并组合多个类形成更大的结构。 以下是结构型设计模式的范围情况： | 对象范围 | 类范围 | | ---- | ---- | | 适配器对象模式 | 适配器类模式 | | 桥接模式 | | | 组合模式 | | | 装饰器模式 | | | 外观模式 | | | 享元模式 | | | 代理模式 | | #### 6. 适配器设计模式 - **目标**：将一个类的接口转换为系统期望的另一个