面試官 :“談談Spring中都用到了哪些設計模式？”

作者：JavaGuide 2019-05-29 17:20:07

Design Patterns(設計模式) 表示面向對象軟件開發中最好的計算機編程實踐。 Spring 框架中廣泛使用了不同類型的設計模式，下面我們來看看到底有哪些設計模式?

JDK 中用到了那些設計模式?Spring 中用到了那些設計模式?這兩個問題，在面試中比較常見。我在網上搜索了一下關于 Spring 中設計模式的講解幾乎都是千篇一律，而且大部分都年代久遠。所以，花了幾天時間自己總結了一下，由于我的個人能力有限，文中如有任何錯誤各位都可以指出。另外，文章篇幅有限，對于設計模式以及一些源碼的解讀我只是一筆帶過，這篇文章的主要目的是回顧一下 Spring 中的常見的設計模式。

Design Patterns(設計模式) 表示面向對象軟件開發中***的計算機編程實踐。 Spring 框架中廣泛使用了不同類型的設計模式，下面我們來看看到底有哪些設計模式?

控制反轉(IoC)和依賴注入(DI)

IoC(Inversion of Control,控制翻轉) 是Spring 中一個非常非常重要的概念，它不是什么技術，而是一種解耦的設計思想。它的主要目的是借助于“第三方”(Spring 中的 IOC 容器) 實現具有依賴關系的對象之間的解耦(IOC容易管理對象，你只管使用即可)，從而降低代碼之間的耦合度。IOC 是一個原則，而不是一個模式，以下模式（但不限于）實現了IoC原則。

ioc-patterns

Spring IOC 容器就像是一個工廠一樣，當我們需要創建一個對象的時候，只需要配置好配置文件/注解即可，完全不用考慮對象是如何被創建出來的。 IOC 容器負責創建對象，將對象連接在一起，配置這些對象，并從創建中處理這些對象的整個生命周期，直到它們被完全銷毀。

在實際項目中一個 Service 類如果有幾百甚至上千個類作為它的底層，我們需要實例化這個 Service，你可能要每次都要搞清這個 Service 所有底層類的構造函數，這可能會把人逼瘋。如果利用 IOC 的話，你只需要配置好，然后在需要的地方引用就行了，這大大增加了項目的可維護性且降低了開發難度。關于Spring IOC 的理解，推薦看這一下知乎的一個回答：https://www.zhihu.com/question/23277575/answer/169698662 ，非常不錯。

控制翻轉怎么理解呢? 舉個例子："對象a 依賴了對象 b，當對象 a 需要使用對象 b的時候必須自己去創建。但是當系統引入了 IOC 容器后，對象a 和對象 b 之前就失去了直接的聯系。這個時候，當對象 a 需要使用對象 b的時候，我們可以指定 IOC 容器去創建一個對象b注入到對象 a 中"。對象 a 獲得依賴對象 b 的過程,由主動行為變為了被動行為，控制權翻轉，這就是控制反轉名字的由來。

DI(Dependecy Inject,依賴注入)是實現控制反轉的一種設計模式，依賴注入就是將實例變量傳入到一個對象中去。

工廠設計模式

Spring使用工廠模式可以通過 BeanFactory 或 ApplicationContext 創建 bean 對象。

兩者對比：

BeanFactory ：延遲注入(使用到某個 bean 的時候才會注入),相比于BeanFactory來說會占用更少的內存，程序啟動速度更快。
ApplicationContext ：容器啟動的時候，不管你用沒用到，一次性創建所有 bean 。BeanFactory 僅提供了最基本的依賴注入支持，ApplicationContext 擴展了 BeanFactory ,除了有BeanFactory的功能還有額外更多功能，所以一般開發人員使用ApplicationContext會更多。

ApplicationContext的三個實現類：

ClassPathXmlApplication：把上下文文件當成類路徑資源。
FileSystemXmlApplication：從文件系統中的 XML 文件載入上下文定義信息。
XmlWebApplicationContext：從Web系統中的XML文件載入上下文定義信息。

Example:

import org.springframework.context.ApplicationContext;  
import org.springframework.context.support.FileSystemXmlApplicationContext;  
public class App {  
    public static void main(String[] args) {  
        ApplicationContext context = new FileSystemXmlApplicationContext(  
                "C:/work/IOC Containers/springframework.applicationcontext/src/main/resources/bean-factory-config.xml");  
        HelloApplicationContext obj = (HelloApplicationContext) context.getBean("helloApplicationContext");  
        obj.getMsg();  
    }  
}

單例設計模式

在我們的系統中，有一些對象其實我們只需要一個，比如說：線程池、緩存、對話框、注冊表、日志對象、充當打印機、顯卡等設備驅動程序的對象。事實上，這一類對象只能有一個實例，如果制造出多個實例就可能會導致一些問題的產生，比如：程序的行為異常、資源使用過量、或者不一致性的結果。

使用單例模式的好處:

對于頻繁使用的對象，可以省略創建對象所花費的時間，這對于那些重量級對象而言，是非常可觀的一筆系統開銷；
由于 new 操作的次數減少，因而對系統內存的使用頻率也會降低，這將減輕 GC 壓力，縮短 GC 停頓時間。

Spring 中 bean 的默認作用域就是 singleton(單例)的。除了 singleton 作用域，Spring 中 bean 還有下面幾種作用域：

prototype : 每次請求都會創建一個新的 bean 實例。
request : 每一次HTTP請求都會產生一個新的bean，該bean僅在當前HTTP request內有效。
session : 每一次HTTP請求都會產生一個新的 bean，該bean僅在當前 HTTP session 內有效。
global-session：全局session作用域，僅僅在基于portlet的web應用中才有意義，Spring5已經沒有了。Portlet是能夠生成語義代碼(例如：HTML)片段的小型Java Web插件。它們基于portlet容器，可以像servlet一樣處理HTTP請求。但是，與 servlet 不同，每個 portlet 都有不同的會話

Spring 實現單例的方式：

xml:<bean id="userService" class="top.snailclimb.UserService" scope="singleton"/>
注解：@Scope(value = "singleton")

Spring 通過 ConcurrentHashMap 實現單例注冊表的特殊方式實現單例模式。Spring 實現單例的核心代碼如下：

// 通過 ConcurrentHashMap（線程安全） 實現單例注冊表  
private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<String, Object>(64);  
public Object getSingleton(String beanName, ObjectFactory<?> singletonFactory) {  
        Assert.notNull(beanName, "'beanName' must not be null");  
        synchronized (this.singletonObjects) {  
            // 檢查緩存中是否存在實例    
            Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);  
            if (singletonObject == null) {  
                //...省略了很多代碼  
                try {  
                    singletonObject = singletonFactory.getObject();  
                }  
                //...省略了很多代碼  
                // 如果實例對象在不存在，我們注冊到單例注冊表中。  
                addSingleton(beanName, singletonObject);  
            }  
            return (singletonObject != NULL_OBJECT ? singletonObject : null);  
        }  
    }  
    //將對象添加到單例注冊表  
    protected void addSingleton(String beanName, Object singletonObject) {  
            synchronized (this.singletonObjects) {  
                this.singletonObjects.put(beanName, (singletonObject != null ? singletonObject : NULL_OBJECT));  
            }  
        }  
}

代理設計模式

代理模式在 AOP 中的應用

AOP(Aspect-Oriented Programming:面向切面編程)能夠將那些與業務無關，卻為業務模塊所共同調用的邏輯或責任（例如事務處理、日志管理、權限控制等）封裝起來，便于減少系統的重復代碼，降低模塊間的耦合度，并有利于未來的可拓展性和可維護性。

Spring AOP 就是基于動態代理的，如果要代理的對象，實現了某個接口，那么Spring AOP會使用JDK Proxy，去創建代理對象，而對于沒有實現接口的對象，就無法使用 JDK Proxy 去進行代理了，這時候Spring AOP會使用Cglib ，這時候Spring AOP會使用 Cglib 生成一個被代理對象的子類來作為代理，如下圖所示：

SpringAOPProcess

當然你也可以使用 AspectJ ,Spring AOP 已經集成了AspectJ ，AspectJ 應該算的上是 Java 生態系統中最完整的 AOP 框架了。

使用 AOP 之后我們可以把一些通用功能抽象出來，在需要用到的地方直接使用即可，這樣大大簡化了代碼量。我們需要增加新功能時也方便，這樣也提高了系統擴展性。日志功能、事務管理等等場景都用到了 AOP 。

Spring AOP 和 AspectJ AOP 有什么區別?

Spring AOP 屬于運行時增強，而 AspectJ 是編譯時增強。 Spring AOP 基于代理(Proxying)，而 AspectJ 基于字節碼操作(Bytecode Manipulation)。

Spring AOP 已經集成了 AspectJ ，AspectJ 應該算的上是 Java 生態系統中最完整的 AOP 框架了。AspectJ 相比于 Spring AOP 功能更加強大，但是 Spring AOP 相對來說更簡單，

如果我們的切面比較少，那么兩者性能差異不大。但是，當切面太多的話，***選擇 AspectJ ，它比Spring AOP 快很多。

模板方法

模板方法模式是一種行為設計模式，它定義一個操作中的算法的骨架，而將一些步驟延遲到子類中。模板方法使得子類可以不改變一個算法的結構即可重定義該算法的某些特定步驟的實現方式。

模板方法UML圖

public abstract class Template {  
    //這是我們的模板方法  
    public final void TemplateMethod(){  
        PrimitiveOperation1();    
        PrimitiveOperation2();  
        PrimitiveOperation3();  
    }  
    protected void  PrimitiveOperation1(){  
        //當前類實現  
    }  
    //被子類實現的方法  
    protected abstract void PrimitiveOperation2();  
    protected abstract void PrimitiveOperation3();  
}  
public class TemplateImpl extends Template {  
    @Override  
    public void PrimitiveOperation2() {  
        //當前類實現  
    }  
    @Override  
    public void PrimitiveOperation3() {  
        //當前類實現  
    }  
}

Spring 中 jdbcTemplate、hibernateTemplate 等以 Template 結尾的對數據庫操作的類，它們就使用到了模板模式。一般情況下，我們都是使用繼承的方式來實現模板模式，但是 Spring 并沒有使用這種方式，而是使用Callback 模式與模板方法模式配合，既達到了代碼復用的效果，同時增加了靈活性。

觀察者模式

觀察者模式是一種對象行為型模式。它表示的是一種對象與對象之間具有依賴關系，當一個對象發生改變的時候，這個對象所依賴的對象也會做出反應。Spring 事件驅動模型就是觀察者模式很經典的一個應用。Spring 事件驅動模型非常有用，在很多場景都可以解耦我們的代碼。比如我們每次添加商品的時候都需要重新更新商品索引，這個時候就可以利用觀察者模式來解決這個問題。

Spring 事件驅動模型中的三種角色

事件角色

ApplicationEvent (org.springframework.context包下)充當事件的角色,這是一個抽象類，它繼承了java.util.EventObject并實現了 java.io.Serializable接口。

Spring 中默認存在以下事件，他們都是對 ApplicationContextEvent 的實現(繼承自ApplicationContextEvent)：

ContextStartedEvent：ApplicationContext 啟動后觸發的事件;
ContextStoppedEvent：ApplicationContext 停止后觸發的事件;
ContextRefreshedEvent：ApplicationContext 初始化或刷新完成后觸發的事件;
ContextClosedEvent：ApplicationContext 關閉后觸發的事件。

ApplicationEvent-Subclass

事件監聽者角色

ApplicationListener 充當了事件監聽者角色，它是一個接口，里面只定義了一個 onApplicationEvent（）方法來處理ApplicationEvent。ApplicationListener接口類源碼如下，可以看出接口定義看出接口中的事件只要實現了 ApplicationEvent就可以了。所以，在 Spring中我們只要實現 ApplicationListener 接口實現 onApplicationEvent() 方法即可完成監聽事件

package org.springframework.context;  
import java.util.EventListener;  
@FunctionalInterface  
public interface ApplicationListener<E extends ApplicationEvent> extends EventListener {  
    void onApplicationEvent(E var1);  
}

事件發布者角色

ApplicationEventPublisher 充當了事件的發布者，它也是一個接口。

@FunctionalInterface  
public interface ApplicationEventPublisher {  
    default void publishEvent(ApplicationEvent event) {  
        this.publishEvent((Object)event);  
    }  
    void publishEvent(Object var1);  
}

ApplicationEventPublisher 接口的publishEvent（）這個方法在AbstractApplicationContext類中被實現，閱讀這個方法的實現，你會發現實際上事件真正是通過ApplicationEventMulticaster來廣播出去的。具體內容過多，就不在這里分析了，后面可能會單獨寫一篇文章提到。

Spring 的事件流程總結

定義一個事件: 實現一個繼承自 ApplicationEvent，并且寫相應的構造函數；
定義一個事件監聽者：實現 ApplicationListener 接口，重寫 onApplicationEvent() 方法；
使用事件發布者發布消息: 可以通過 ApplicationEventPublisher 的 publishEvent() 方法發布消息。

Example:

// 定義一個事件,繼承自ApplicationEvent并且寫相應的構造函數  
public class DemoEvent extends ApplicationEvent{  
    private static final long serialVersionUID = 1L;  
    private String message;  
    public DemoEvent(Object source,String message){  
        super(source);  
        this.message = message;  
    }  
    public String getMessage() {  
         return message;  
          }  
// 定義一個事件監聽者,實現ApplicationListener接口，重寫 onApplicationEvent() 方法；  
@Component  
public class DemoListener implements ApplicationListener<DemoEvent>{  
    //使用onApplicationEvent接收消息  
    @Override  
    public void onApplicationEvent(DemoEvent event) {  
        String msg = event.getMessage();  
        System.out.println("接收到的信息是："+msg);  
    }  
}  
// 發布事件，可以通過ApplicationEventPublisher  的 publishEvent() 方法發布消息。  
@Component  
public class DemoPublisher {  
    @Autowired  
    ApplicationContext applicationContext;  
    public void publish(String message){  
        //發布事件  
        applicationContext.publishEvent(new DemoEvent(this, message));  
    }  
}

當調用 DemoPublisher 的 publish() 方法的時候，比如 demoPublisher.publish("你好") ，控制臺就會打印出:接收到的信息是：你好。

適配器模式

適配器模式(Adapter Pattern) 將一個接口轉換成客戶希望的另一個接口，適配器模式使接口不兼容的那些類可以一起工作，其別名為包裝器(Wrapper)。

spring AOP中的適配器模式

我們知道 Spring AOP 的實現是基于代理模式，但是 Spring AOP 的增強或通知(Advice)使用到了適配器模式，與之相關的接口是AdvisorAdapter 。Advice 常用的類型有：BeforeAdvice（目標方法調用前,前置通知）、AfterAdvice（目標方法調用后,后置通知）、AfterReturningAdvice(目標方法執行結束后，return之前)等等。每個類型Advice（通知）都有對應的攔截器:MethodBeforeAdviceInterceptor、AfterReturningAdviceAdapter、AfterReturningAdviceInterceptor。Spring預定義的通知要通過對應的適配器，適配成 MethodInterceptor接口(方法攔截器)類型的對象（如：MethodBeforeAdviceInterceptor 負責適配 MethodBeforeAdvice）。

spring MVC中的適配器模式

在Spring MVC中，DispatcherServlet 根據請求信息調用 HandlerMapping，解析請求對應的 Handler。解析到對應的 Handler（也就是我們平常說的 Controller 控制器）后，開始由HandlerAdapter 適配器處理。HandlerAdapter 作為期望接口，具體的適配器實現類用于對目標類進行適配，Controller 作為需要適配的類。

為什么要在 Spring MVC 中使用適配器模式？ Spring MVC 中的 Controller 種類眾多，不同類型的 Controller 通過不同的方法來對請求進行處理。如果不利用適配器模式的話，DispatcherServlet 直接獲取對應類型的 Controller，需要的自行來判斷，像下面這段代碼一樣：

if(mappedHandler.getHandler() instanceof MultiActionController){    
   ((MultiActionController)mappedHandler.getHandler()).xxx    
}else if(mappedHandler.getHandler() instanceof XXX){    
    ...    
}else if(...){    
   ...    
}

假如我們再增加一個 Controller類型就要在上面代碼中再加入一行判斷語句，這種形式就使得程序難以維護，也違反了設計模式中的開閉原則 – 對擴展開放，對修改關閉。

裝飾者模式

裝飾者模式可以動態地給對象添加一些額外的屬性或行為。相比于使用繼承，裝飾者模式更加靈活。簡單點兒說就是當我們需要修改原有的功能，但我們又不愿直接去修改原有的代碼時，設計一個Decorator套在原有代碼外面。其實在 JDK 中就有很多地方用到了裝飾者模式，比如 InputStream家族，InputStream 類下有 FileInputStream (讀取文件)、BufferedInputStream (增加緩存,使讀取文件速度大大提升)等子類都在不修改InputStream 代碼的情況下擴展了它的功能。

裝飾者模式示意圖

Spring 中配置 DataSource 的時候，DataSource 可能是不同的數據庫和數據源。我們能否根據客戶的需求在少修改原有類的代碼下動態切換不同的數據源？這個時候就要用到裝飾者模式(這一點我自己還沒太理解具體原理)。Spring 中用到的包裝器模式在類名上含有 Wrapper或者 Decorator。這些類基本上都是動態地給一個對象添加一些額外的職責

總結

Spring 框架中用到了哪些設計模式：

工廠設計模式 : Spring使用工廠模式通過 BeanFactory、ApplicationContext 創建 bean 對象。
代理設計模式 : Spring AOP 功能的實現。
單例設計模式 : Spring 中的 Bean 默認都是單例的。
模板方法模式 : Spring 中 jdbcTemplate、hibernateTemplate 等以 Template 結尾的對數據庫操作的類，它們就使用到了模板模式。
包裝器設計模式 : 我們的項目需要連接多個數據庫，而且不同的客戶在每次訪問中根據需要會去訪問不同的數據庫。這種模式讓我們可以根據客戶的需求能夠動態切換不同的數據源。
觀察者模式: Spring 事件驅動模型就是觀察者模式很經典的一個應用。
適配器模式 :Spring AOP 的增強或通知(Advice)使用到了適配器模式、spring MVC 中也是用到了適配器模式適配Controller。
……

責任編輯：龐桂玉來源： Java團長