面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模式習(xí)題詳解*懶漢式：在第一次調(diào)用`getInstance()`時(shí)才創(chuàng)建實(shí)例。優(yōu)點(diǎn)是延遲初始化，節(jié)約資源；缺點(diǎn)是在多線程環(huán)境下需要額外的同步措施以保證線程安全。簡(jiǎn)單的線程安全實(shí)現(xiàn)可以使用`synchronized`關(guān)鍵字修飾`getInstance()`方法，但這會(huì)帶來(lái)性能開(kāi)銷。更優(yōu)的方案如“雙重檢查鎖定(Double-CheckedLocking)”結(jié)合`volatile`關(guān)鍵字，可以在保證線程安全的同時(shí)提升性能。為何選擇單例？如果不使用單例，我們可能需要依賴全局變量或者在每個(gè)需要配置的地方手動(dòng)傳遞一個(gè)配置對(duì)象。全局變量缺乏封裝，難以控制初始化時(shí)機(jī)；手動(dòng)傳遞則增加了代碼耦合度。單例模式優(yōu)雅地解決了這一矛盾，既保證了實(shí)例的唯一性，又提供了便捷的訪問(wèn)方式。二、工廠模式：對(duì)象創(chuàng)建的解耦之道習(xí)題場(chǎng)景：某文檔編輯器應(yīng)用，支持創(chuàng)建多種類型的文檔，如文本文檔、表格文檔、演示文稿等。每種文檔類型都有其特定的創(chuàng)建過(guò)程和初始內(nèi)容。要求設(shè)計(jì)一個(gè)模塊，能夠根據(jù)用戶選擇的文檔類型，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建相應(yīng)的文檔對(duì)象，而無(wú)需客戶端直接依賴具體的文檔類。分析與思考：此問(wèn)題的核心在于對(duì)象的創(chuàng)建?？蛻舳诵枰煌愋偷奈臋n對(duì)象，但如果讓客戶端直接使用`new`關(guān)鍵字創(chuàng)建具體的文檔實(shí)例（如`newTextDocument()`），會(huì)導(dǎo)致客戶端與具體文檔類緊密耦合。一旦需要添加新的文檔類型或修改現(xiàn)有文檔的創(chuàng)建邏輯，客戶端代碼也必須隨之修改，這違背了“開(kāi)閉原則”。我們需要一種方式，將對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程封裝起來(lái)，使得客戶端只需要知道所需對(duì)象的“類型”或“接口”，而無(wú)需關(guān)心其具體實(shí)現(xiàn)和創(chuàng)建細(xì)節(jié)。模式選擇與詳解：工廠模式(FactoryPattern)家族（包括簡(jiǎn)單工廠、工廠方法、抽象工廠）正是用于處理對(duì)象創(chuàng)建問(wèn)題的模式。針對(duì)本題場(chǎng)景，工廠方法模式(FactoryMethodPattern)是一個(gè)合適的選擇。工廠方法模式核心思想：定義一個(gè)用于創(chuàng)建對(duì)象的接口（抽象工廠），讓子類（具體工廠）決定實(shí)例化哪一個(gè)類。工廠方法使一個(gè)類的實(shí)例化延遲到其子類。角色劃分：*抽象產(chǎn)品(Product)：定義所有具體產(chǎn)品共有的接口，如`Document`接口，聲明`open()`、`save()`等方法。*具體產(chǎn)品(ConcreteProduct)：實(shí)現(xiàn)抽象產(chǎn)品接口，如`TextDocument`、`SpreadsheetDocument`、`PresentationDocument`。*抽象工廠(Creator)：聲明工廠方法，該方法返回一個(gè)抽象產(chǎn)品類型的對(duì)象。抽象工廠可以提供一個(gè)默認(rèn)的工廠方法實(shí)現(xiàn)。*具體工廠(ConcreteCreator)：重寫抽象工廠的工廠方法，返回具體產(chǎn)品的實(shí)例。例如`TextDocumentFactory`、`SpreadsheetDocumentFactory`。應(yīng)用到習(xí)題：1.定義抽象產(chǎn)品`Document`接口。2.為每種文檔類型創(chuàng)建具體產(chǎn)品類，實(shí)現(xiàn)`Document`接口。3.定義抽象工廠`DocumentFactory`接口，其中聲明`createDocument()`方法，返回`Document`。4.為每種文檔類型創(chuàng)建具體工廠類，實(shí)現(xiàn)`DocumentFactory`接口，其`createDocument()`方法返回相應(yīng)的具體文檔實(shí)例。5.客戶端根據(jù)用戶選擇的文檔類型，實(shí)例化對(duì)應(yīng)的具體工廠，然后調(diào)用工廠的`createDocument()`方法獲取文檔對(duì)象并使用。為何選擇工廠方法？相較于簡(jiǎn)單工廠（一個(gè)工廠類處理所有產(chǎn)品創(chuàng)建），工廠方法模式更符合開(kāi)閉原則。當(dāng)需要添加新的文檔類型時(shí)，只需添加新的具體產(chǎn)品類和對(duì)應(yīng)的具體工廠類，無(wú)需修改現(xiàn)有工廠和客戶端代碼。這顯著降低了系統(tǒng)的耦合度，提高了可擴(kuò)展性。三、觀察者模式：構(gòu)建響應(yīng)式的對(duì)象協(xié)作習(xí)題場(chǎng)景：設(shè)計(jì)一個(gè)氣象站系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個(gè)氣象數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)收集溫度、濕度、氣壓等氣象數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)需要支持多種不同的顯示終端，如當(dāng)前天氣狀況顯示器、氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示器、天氣預(yù)報(bào)顯示器等。要求當(dāng)氣象數(shù)據(jù)更新時(shí)，所有注冊(cè)的顯示終端都能自動(dòng)獲取最新數(shù)據(jù)并更新顯示內(nèi)容。分析與思考：這個(gè)問(wèn)題的核心在于對(duì)象間的一對(duì)多依賴關(guān)系。氣象數(shù)據(jù)中心是“一”的一方，它的數(shù)據(jù)變化會(huì)影響到“多”方——各種顯示終端。關(guān)鍵需求是“自動(dòng)更新”，即當(dāng)主題對(duì)象（氣象數(shù)據(jù)中心）狀態(tài)改變時(shí)，所有依賴于它的觀察者對(duì)象（顯示終端）都應(yīng)得到通知并自動(dòng)更新。如果采用硬編碼的方式，讓氣象數(shù)據(jù)中心直接調(diào)用每個(gè)顯示終端的更新方法，那么每當(dāng)添加或移除一個(gè)顯示終端，都需要修改氣象數(shù)據(jù)中心的代碼，這顯然是不靈活且難以維護(hù)的。模式選擇與詳解：觀察者模式(ObserverPattern)完美契合此場(chǎng)景。它定義了對(duì)象之間的一對(duì)多依賴，當(dāng)一個(gè)對(duì)象狀態(tài)改變時(shí)，所有依賴它的對(duì)象都會(huì)收到通知并自動(dòng)更新。觀察者模式核心思想：將主題(Subject)和觀察者(Observer)解耦。主題只需要知道觀察者實(shí)現(xiàn)了某個(gè)共同的接口，無(wú)需知道具體是誰(shuí)。觀察者可以隨時(shí)注冊(cè)或取消注冊(cè)，主題會(huì)維護(hù)一個(gè)觀察者列表，并在自身狀態(tài)變化時(shí)遍歷列表通知所有觀察者。角色劃分：*主題(Subject)：維護(hù)一組觀察者，提供注冊(cè)、移除觀察者以及通知所有觀察者的接口。如`WeatherData`。*觀察者(Observer)：定義一個(gè)更新接口，以便在主題狀態(tài)變化時(shí)得到通知并更新自己。如`DisplayElement`。*具體主題(ConcreteSubject)：實(shí)現(xiàn)主題接口，存儲(chǔ)具體狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)改變時(shí)觸發(fā)通知。*具體觀察者(ConcreteObserver)：實(shí)現(xiàn)觀察者接口，存儲(chǔ)一個(gè)指向具體主題的引用（可選，用于主動(dòng)拉取數(shù)據(jù)），并在收到通知時(shí)更新自身狀態(tài)。如`CurrentConditionsDisplay`、`StatisticsDisplay`。應(yīng)用到習(xí)題：1.`WeatherData`作為具體主題，實(shí)現(xiàn)注冊(cè)、移除觀察者和通知方法。它內(nèi)部維護(hù)氣象數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)更新時(shí)調(diào)用`notifyObservers()`。2.定義`Observer`接口，包含`update()`方法。3.定義`DisplayElement`接口（可選，更聚焦于顯示功能），包含`display()`方法。4.各種具體顯示器（如`CurrentConditionsDisplay`）實(shí)現(xiàn)`Observer`和`DisplayElement`接口。它們?cè)赻update()`方法中獲取最新氣象數(shù)據(jù)（可以是主題推送，也可以是觀察者主動(dòng)從主題拉?。⒏聝?nèi)部狀態(tài)，然后調(diào)用`display()`方法刷新顯示。為何選擇觀察者模式？觀察者模式使得氣象站系統(tǒng)具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性。新的顯示終端可以很容易地添加到系統(tǒng)中，只需實(shí)現(xiàn)觀察者接口并注冊(cè)到氣象數(shù)據(jù)中心即可，無(wú)需修改主題代碼。同樣，移除一個(gè)顯示終端也非常簡(jiǎn)單。這種松耦合的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)各部分可以獨(dú)立演化。四、裝飾器模式：動(dòng)態(tài)擴(kuò)展對(duì)象功能習(xí)題場(chǎng)景：某咖啡店訂單系統(tǒng)，需要計(jì)算不同咖啡及其配料組合的價(jià)格?？Х确N類有：濃縮咖啡(Espresso)、美式咖啡(Americano)等。配料有：牛奶(Milk)、糖(Sugar)、摩卡(Mocha)、奶泡(Whip)等。顧客可以點(diǎn)一杯純咖啡，也可以自由選擇添加多種配料。如何設(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)，使得新的咖啡種類或新的配料能夠方便地加入，并且能靈活計(jì)算總價(jià)？分析與思考：這個(gè)問(wèn)題的核心在于動(dòng)態(tài)地給對(duì)象添加職責(zé)。一杯咖啡的價(jià)格是其本身價(jià)格加上所有添加配料的價(jià)格之和。如果采用繼承的方式，為每一種可能的咖啡+配料組合創(chuàng)建一個(gè)子類（如`EspressoWithMilkAndSugar`），那么組合數(shù)量會(huì)爆炸式增長(zhǎng)，系統(tǒng)變得臃腫不堪，極難維護(hù)。我們需要一種方式，可以在不修改現(xiàn)有對(duì)象結(jié)構(gòu)的情況下，動(dòng)態(tài)地給對(duì)象添加新的行為或職責(zé)。模式選擇與詳解：裝飾器模式(DecoratorPattern)是解決此類問(wèn)題的理想方案。它允許向一個(gè)現(xiàn)有的對(duì)象動(dòng)態(tài)地添加新的功能，同時(shí)又不改變其結(jié)構(gòu)。裝飾器模式是繼承的一個(gè)靈活替代方案。裝飾器模式核心思想：角色劃分：*抽象裝飾器(Decorator)：實(shí)現(xiàn)抽象組件接口，并包含一個(gè)指向抽象組件的引用。它的子類將負(fù)責(zé)添加具體功能。*具體裝飾器(ConcreteDecorator)：繼承抽象裝飾器，實(shí)現(xiàn)具體的附加功能，如`MilkDecorator`、`SugarDecorator`。應(yīng)用到習(xí)題：1.`Coffee`作為抽象組件，定義`cost()`方法。2.`Espresso`、`Americano`作為具體組件，實(shí)現(xiàn)`cost()`方法返回其基礎(chǔ)價(jià)格。3.`CoffeeDecorator`作為抽象裝飾器，實(shí)現(xiàn)`Coffee`接口，并持有一個(gè)`Coffee`類型的成員變量。其`cost()`方法可以簡(jiǎn)單調(diào)用被裝飾咖啡的`cost()`。4.`MilkDecorator`、`SugarDecorator`等作為具體裝飾器，繼承`CoffeeDecorator`，并重寫`cost()`方法：`returnsuper.cost()+配料價(jià)格`。使用示例：顧客點(diǎn)一杯加牛奶和摩卡的濃縮咖啡，代碼可能如下：`Coffeecoffee=newMilkDecorator(newMochaDecorator(newEspresso()));`然后調(diào)用`coffee.cost()`即可得到總價(jià)。為何選擇裝飾器模式？裝飾器模式可以非常靈活地組合各種功能。添加新的咖啡種類或新的配料，只需新增一個(gè)具體組件類或具體裝飾器類即可，無(wú)需修改現(xiàn)有代碼，符合“開(kāi)閉原則”。相比繼承，它避免了類數(shù)量的爆炸，并且可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地選擇和組合功能。總結(jié)與升華通過(guò)以上習(xí)題的分析，我們可以看到，設(shè)計(jì)模式的選擇并非一蹴而就，而是建立在對(duì)問(wèn)題場(chǎng)景的深刻理解和對(duì)模式本質(zhì)的準(zhǔn)確把握之上。每一種模式都有其特定的意圖和適用范圍，它們不是孤立存在的，實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往是多種模式的結(jié)合運(yùn)用。學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模式，最關(guān)鍵的是領(lǐng)悟其“為什么這么