爪哇语言单态创立性模式介绍(上)

2019-11-18 12:16:33

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供稿：网友

　　什么是模式
　　一个围棋下得好的人知道,好的"形"对于围棋非常重要。形是棋子在棋盘上的几何外形的抽象化。形就是模式(Pattern),也是人脑把握和熟悉外界的要害。而人脑对处理模式的能力也非常高超，人可以在几百张面孔中一下子辨认出所熟悉的脸来,就是一个例子。
　　简而言之,在我们处理大量问题时,在很多不同的问题中重复出现的一种性质,它使得我们可以使用一种方法来描述问题实质并用本质上相同,但细节永不会重复的方法去解决,这种性质就叫模式。模式化过程是把问题抽象化,在忽略掉不重要的细节后,发现问题的一般性本值,并找到普遍使用的方法去解决的过程。
　　发现模式是与研究模式同时发生的，发现一个新的模式很不轻易。一个好的模式必须满足以下几点：
　　1、它可以解决问题。模式不能仅仅反映问题，而必须对问题提出解决方案。
　　2、它所提出解决方案是正确的，而且不是很明显的。
　　3、它必须是涉及软件系统深层的结构的东西，不能仅是对已有的模块的描述。
　　4、它必须满足人的审美，简洁美观。
　　换言之，一个美妙的东西不一定就是模式，但是一个模式必须是一个美妙的东西。
　　软件工程学的各个方面，诸如开发组织，软件处理，项目配置治理，等等，都可以看到模式的影子。但至今得到了最好的研究的是设计模式和组织模式。在软件编程中使用模式化方法, 是在编程对象化之后才开始得到重视的。软件编程中模式化方法的研究,也是在九十年代才开始。
　　在面向对象的编程中使用模式化方法研究的开创性著作,是
　　Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software, E.Gamma, R. Helm, R. Johnson, and J. Vlissides,1995, Addison-Wesley.
　　这四位作者通常被称为四人帮(Gang of Four, 或GoF)。（在这个词出现以后，很多西方商业炒作利用这个路人皆知的词赚钱，有一个八十年代的美国四人乐队以此为队名。在英国政界更曾有好几个小帮派被称为四人帮。在这里大家使用这个词称呼这四个闻名作者，带有戏虐成分。）
　　由于爪哇语言的特点,使得模式在爪哇语言的实现有自己的特点。爪哇语言是现今最普及的纯粹OOP的编程语言,使用爪哇语言编程的程序师平均的素质也相对比较高。这些程序师往往不满足于只是实现程序功能要求,他们经常想要在代码结构,编程风格,乃至解决问题的思考方式上不断进取和自我完善。模式,就是在大量的实践中总结和理论化之后的优选的代码结构,编程风格, 及解决问题的思考方式。对模式的了解和把握,是爪哇程序师提高自身素质的一个很好的方向。
　　作者在学习和工作中把自己的体会总结下来,藉以与读者交流提高。
　　作者在后面会使用简单的UML(统一建模语言,Unified Modelling Languge)。由于市场上有很多介绍UML 的书,而作者在后面使用到的UML又极为简单,因此只在此作一极为简单的介绍,目的是让没有接触过UML的读者能看懂后面的讲述。
　　　爪哇语言单态创立性模式介绍(上)（图一）

　　图1. UML的类图举例　
　　在图1的类图中可以看出,表示类的框分成四层:类名,变量清单,函数清单和属性清单。变量名如是正体字，表明类是实的(Concrete,即可以实例化的类),变量名如是斜体字，表明类是抽象的。显然,我们在图中给出了一个实的类。
　　在图1的类ClassUML中,一个变量或函数(方法)左面假如有一个加(+)号,表示它是公开的, 左面假如有一个减(-)号,表示它是私有的,左面假如有一个井(#)号,表示它是保护的。
　　一个属性即由一个内部变量,一个赋值函数(mutator)和一个取值函数(accessor)组成的结构。
　　在类的方框的右上角里，通常还分两行写出类的父类和所实现的接口。在后面读者会看到例子。
　　在类与类之间,会有线条指明它们之间的关系。在类与类之间可以发生推广(与继续相反),依靠,累积和关联等关系。在后面读者看到例子时作者会加以解释。
　　package com.javapatterns.singleton.demos;
　　public class ClassUML {
　　　public ClassUML() {}
　　　PRivate void aPrivateFunction() {}
　　public void aPublicMethod() {}
　　　public int getAProperty(){ return aPrivateVar; }
　　　public void setAProperty(int aPrivateVar)
　　{ this.aPrivateVar = aPrivateVar; 　}
　　　static public void aStaticMethod() {}
　　　protected void aProtectedMethod() {}
　　　private int aPrivateVar;
　　　public int aPublicVar;
　　　protected int aProtectedVar;
　　}
　　代码清单1. ClassUML类的源代码。
　　什么是创立性模式
　　创立性模式(Creational Patterns)是类在实例化时使用的模式。当一些系统在创立对象时,需要动态地决定怎样创立对象,创立哪些对象。创立性模式告诉我们怎样构造和包装这些动态的决定。创立性模式通常包括以下的模式
　　1、工厂函数模式
　　2、抽象工厂类模式
　　3、建设者模式
　　4、原始模型模式
　　5、单态模式
　　单态模式
　　一个单态类只可有一个实例。这样的类常用来进行资源治理。
　　需要治理的资源包括软件外部资源，譬如，每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个打印处理器软件。每台计算机可以有若干传真卡，但是只应该有一个传真软件治理传真。每台计算机可以有若干通讯端口，你的软件应当集中治理这些通讯端口，以避免同时一个通讯端口被两个请求同时调用。
　　需要治理的资源包括软件内部资源，譬如，大多数的软件都有一个(甚至多个)属性（properties）文件存放系统配置。这样的系统应当有一个对象来治理一个属性文件。很多软件都有数据库，一般而言，整个软件应当使用一个联接通道，而不是任意在需要时就新打开一个联接通道。
　　需要治理的软件内部资源也包括譬如负责纪录网站来访人数的部件,记录软件系统内部事件、出错信息的部件，或是进行系统表现监查的的部件,等等。这些部件都必须集中治理，不可政出多头。
　　单态类的特性
　　综合而言，
　　1、单态类只可有一个实例。
　　2、它必须自己创立自己这唯一的一个实例。
　　3、它必须给所有其它的类提供自己这一实例。
　　最后，单态类在理论和实践上都并非限定只能有"一个"实例,而是很轻易推广到任意有限个实例的情况。
　　单态模式的几种实现
　　由于爪哇语言的特点,使得单态模式在爪哇语言的实现有自己的特点。这些特点主要表现在怎样实例化上。
　　饿汉式单态类
　　饿汉式单态类是在爪哇语言里实现得最为简便的单态类。
　　　爪哇语言单态创立性模式介绍(上)（图二）

　　图2.饿汉式单态类的UML类图　
　　图中的关系线表明,此类自已将自己实例化。
　　package com.javapatterns.singleton.demos;
　　public class EagerSingleton {
　　private EagerSingleton() { }
　　public static EagerSingleton getInstance() {
　　return m_instance;
　　}
　　private static final EagerSingleton m_instance = new EagerSingleton();
　　}
　　代码清单2.饿汉式单态类。
　　值得指出的是,由于构造子是私有的,因此此类不能被继续。
　　懒汉式单态类
　　懒汉式单态类在第一次被引用时将自己实例化。假如加载器是静态的,那么在懒汉式单态类被加载时不会将自己实例化。
　　package com.javapatterns.singleton.demos;
　　public class LazySingleton {
　　private LazySingleton() { }
　　
　　public static LazySingleton getInstance()
　　{
　　　if (m_instance == null)
　　　{
　　file://More than one threads might be here!!!
　　synchronized(LazySingleton.class)
　　{
　　　if (m_instance == null)
　　　{
　　　　m_instance = new LazySingleton();
　　　}
　　}
　　　}
　　　return m_instance;
　　}
　　private static LazySingleton m_instance = null;
　　}　　　　　　　　　　　　　　　代码清单3.懒汉式单态类。
　　爪哇语言单态创立性模式介绍(上)（图三）

　　图3.懒汉式单态类
　　图中的关系线表明,此类自已将自己实例化。
　　读者可能会注重到，在上面给出懒汉式单态类实现里,使用了在多线程编程中常要使用的，闻名的双重检查原则。对双重检查原则和多线程编程要点不十分熟悉的读者，可以看看后面给出的问答题。
　　同样,由于构造子是私有的,因此此类不能被继续。
　　饿汉式单态类在自己被加载时就将自己实例化。既便加载器是静态的,在饿汉式单态类被加载时仍会将自己实例化。单从资源利用效率角度来讲,这是比懒汉式单态类稍差些。从速度和反应时间角度来讲,则比懒汉式单态类稍好些。然而,懒汉式单态类在实例化时必须处理好在多个线程同时首次引用此类时,实例化函数内部要害段的访问限制问题。非凡是当单态类作为资源控器,在实例化时必然涉及资源初始化,而资源初始化很有可能耗费时间。这意味着出现多线程同时首次引用此类的几率变得较大。
　　饿汉式单态类可以在爪哇语言内实现,但不易在C++内实现,因为静态初始化在C++里没有固定的顺序, 因而静态的m_instance变量的初始化与类的加载顺序没有保证,可能会出问题。这就是为什么GoF在提出单态类的概念时,举的例子是懒汉式的。他们的书影响之大,以致爪哇语言中单态类的例子也大多是懒汉式的。实际上，作者认为饿汉式单态类更符合爪哇语言本身的特点。

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