【Java】常用设计模式及应用场景详解-编程实验室

设计模式分为三大类：创建型（5种）、结构型（7种）、行为型（11种），以下是 Java 开发中最核心、高频使用的模式及真实场景

一、创建型模式（Creational Patterns）

模式	核心目的	Java/框架中的应用场景
单例模式	确保类仅有一个实例，全局访问	1.Spring Bean 默认作用域（singleton） 2.Runtime.getRuntime()获取 JVM 运行时 3.数据库连接池（如 HikariCP 的池管理器）
工厂模式（简单工厂/工厂方法/抽象工厂）	封装对象创建逻辑，解耦调用者与实现	1.Calendar.getInstance()创建日历对象 2.JDBC DriverManager获取数据库连接 3.Spring BeanFactory创建和管理 Bean
建造者模式	分步构建复杂对象，链式调用	1.StringBuilder.append()构建字符串 2.Spring Security User.withDefaultPasswordEncoder() 3.Lombok @Builder自动生成建造者
原型模式	通过克隆创建对象，避免重复初始化	1.Object.clone()方法 2.JDK ArrayList的`clone()`实现 3.Spring Bean 的 prototype 作用域

二、结构型模式（Structural Patterns）

2.1 高频核心模式

模式	核心目的	Java/框架中的应用场景
代理模式	为对象提供代理，控制访问或增强功能	1.Spring AOP动态代理（JDK 动态代理/CGLIB） 2.MyBatis Mapper 接口的代理实现 3.RMI 远程代理实现跨 JVM 调用
装饰器模式	动态为对象添加职责，透明扩展	1.Java IO 流（`BufferedInputStream`装饰`FileInputStream`） 2.Spring Cache 装饰器增强方法缓存 3.Servlet Filter 链装饰 HTTP 请求处理
适配器模式	转换接口，使不兼容类协同工作	1.Arrays.asList()将数组适配为 List 2.Spring MVC HandlerAdapter适配不同 Controller 3.JPA 的 JpaVendorAdapter适配不同数据库
外观模式	为子系统提供统一入口，简化调用	1.Spring JdbcTemplate封装 JDBC 复杂操作 2.SLF4J 门面统一日志框架（Logback/Log4j） 3.Tomcat RequestFacade封装 ServletRequest

2.2 中等频率模式

模式	核心目的	Java/框架中的应用场景
组合模式	树形结构，统一处理单个对象和组合对象	1.Java Swing GUI 组件（Container 包含 Component） 2.JSF UIComponent 树 3.组织结构树（员工与部门统一接口）
桥接模式	分离抽象与实现，独立扩展	1.JDBC 驱动桥接（Driver 桥接不同数据库协议） 2.Spring 的桥接模式在 Bean 定义与实现间 3.AWT 的 Peer 架构（跨平台 GUI）
享元模式	共享细粒度对象，节省内存	1.String 字符串常量池（如`"abc"`复用） 2.Integer.valueOf()缓存 -128~127 对象 3.数据库连接池复用连接对象

三、行为型模式（Behavioral Patterns）

3.1 高频核心模式

模式	核心目的	Java/框架中的应用场景
策略模式	封装算法族，运行时动态切换	1.Spring Resource 策略加载（classpath/file/url） 2.Collections.sort()传入 Comparator 策略 3.支付系统支持微信/支付宝/银联多策略
观察者模式	发布-订阅，一对多依赖通知	1.Java EventListener（如 ServletContextListener） 2.Spring ApplicationEvent事件驱动（如 ContextRefreshedEvent） 3.Guava EventBus组件解耦
模板方法模式	定义算法骨架，子类实现细节	1.Spring JdbcTemplate执行流程模板 2.HttpServlet的`service()`模板方法（doGet/doPost） 3.AbstractApplicationContext的 refresh() 模板
责任链模式	链式传递请求，松散耦合	1.Servlet Filter 链（认证→日志→鉴权） 2.Spring Security FilterChain安全过滤 3.Netty ChannelPipeline责任链处理 IO 事件
迭代器模式	顺序访问聚合对象元素	1.Java Iterator/Iterable接口（`ArrayList.iterator()`） 2.MyBatis Cursor游标迭代大数据 3.Guava FluentIterable增强迭代
命令模式	封装请求为对象，支持撤销/队列	1.Runnable/Callable封装任务 2.Spring JmsTemplate发送消息命令 3.撤销/重做功能（编辑器历史栈）
状态模式	对象行为随状态改变而改变	1.线程 Thread.State枚举（NEW/RUNNABLE/BLOCKED） 2.订单状态机（待支付→已支付→已发货） 3.Game 角色状态（正常/眩晕/冰冻）

3.2 中等频率模式

模式	核心目的	Java/框架中的应用场景
备忘录模式	保存对象状态，支持恢复	1.Serializable 序列化保存对象状态 2.Git 版本控制保存代码历史 3.游戏存档/读档
中介者模式	封装对象交互，降低耦合	1.Java Concurrency Executor协调线程 2.Spring MVC DispatcherServlet协调 Controller/View 3.消息队列中间件解耦服务
访问者模式	分离操作与对象结构	1.Java AnnotationValueVisitor注解处理 2.编译器 AST 遍历 3.报表导出（同一数据导出 CSV/PDF/Excel）
解释器模式	定义语法规则，解释执行	1.Java 正则表达式 Pattern 2.Spring SpEL 表达式（`#{...}`） 3.SQL 解析器（如 Druid SQL Parser）

四、设计模式在主流框架中的体现

Spring Framework

// 单例模式：Bean 默认作用域@Component// 默认 singletonpublicclassUserService{...}// 工厂模式：BeanFactory 创建 BeanApplicationContextctx=newAnnotationConfigApplicationContext(AppConfig.class);UserServiceservice=ctx.getBean(UserService.class);// 代理模式：AOP 动态代理@AspectpublicclassLogAspect{@Around("execution(* com.example.*.*(..))")publicObjectlog(ProceedingJoinPointpjp){...}}// 模板方法：JdbcTemplatejdbcTemplate.query("SELECT * FROM users",(rs,rowNum)->newUser(rs));

MyBatis

// 代理模式：Mapper 接口代理publicinterfaceUserMapper{@Select("SELECT * FROM users WHERE id = #{id}")UserselectById(Longid);}// MyBatis 自动生成代理实现类// 建造者模式：SqlSessionFactoryBuilderSqlSessionFactoryfactory=newSqlSessionFactoryBuilder().build(inputStream);

JDK 核心库

// 装饰器模式：IO 流InputStreamis=newBufferedInputStream(newFileInputStream("file.txt"));// 迭代器模式：集合遍历List<String>list=newArrayList<>();Iterator<String>it=list.iterator();// 单例模式：RuntimeRuntimeruntime=Runtime.getRuntime();runtime.exec("ls -l");

五、选型决策指南

场景需求	推荐模式	避免场景
全局共享资源	单例模式	频繁创建销毁
对象创建复杂	建造者/工厂模式	在业务代码硬编码 new
需要动态扩展功能	装饰器/代理模式	继承层级过深
处理流程固定，步骤可变	模板方法模式	重复代码
多策略切换	策略模式	if-else 地狱
组件解耦/事件驱动	观察者/中介者模式	直接依赖调用
树形结构管理	组合模式	递归处理复杂
跨接口兼容	适配器模式	修改原有代码