设计模式面试
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设计模式面试
综合
【简单】什么是设计模式？为什么需要设计模式？
设计模式是软件设计中常见问题的典型解决方案。
设计模式是针对软件设计中常见问题的、可重用的解决方案模板和最佳实践。
模式是针对软件设计中常见问题的解决方案工具箱， 它们定义了一种让你的团队能更高效沟通的通用语言。
【中等】设计模式可以分为哪几类？一共有多少种主流的设计模式？
一共有 23 种主流设计模式
- 创建型模式：创建型模式提供了创建对象的机制， 能够提升已有代码的灵活性和可复用性。
- 结构型模式：结构型模式介绍如何将对象和类组装成较大的结构， 并同时保持结构的灵活和高效。
- 行为型模式：行为模式负责对象间的高效沟通和职责委派。
创建型模式
【中等】单例模式有哪几种实现？如何保证线程安全？
线程不安全：如果两个线程同时执行到 if (instance == null) 判断，且都发现为 null，则会创建两个实例
public class Singleton {
private static Singleton instance;
// 私有构造函数，防止外部 new
private Singleton() {}
// 全局访问点
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { // 线程不安全的发生点
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
public class Singleton {
// 类加载时就直接初始化
private static final Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
如果没有 volatile，JVM 可能会进行指令重排序，将步骤 3 和步骤 2 调换顺序。这可能导致其他线程拿到一个未完全初始化的对象。volatile 可以防止这种重排序，保证可见性和有序性。
线程安全，延迟加载，效率较高（只在第一次初始化时同步）。
public class Singleton {
// 使用 volatile 关键字禁止指令重排序，至关重要
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { // 第一次检查，避免不必要的同步
synchronized (Singleton.class) { // 同步锁
if (instance == null) { // 第二次检查，确保线程安全
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
- 原理：JVM 在加载外部类时，不会立即加载其内部类。内部类
SingletonHolder只有在getInstance()方法被调用时才会被加载和初始化，从而初始化INSTANCE实例。 - 优点：
- 线程安全：由 JVM 类加载机制保证。
- 懒加载：只有在调用
getInstance()时才会实例化。 - 高效：无需同步锁，性能高。
public class Singleton {
private Singleton() {}
// 静态内部类
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
@枚举
这是《Effective Java》强烈推荐的方式，如果需要抵抗序列化和反射攻击，这是最好的选择。
public enum Singleton {
INSTANCE; // 唯一的实例
// 可以添加任意方法
public void doSomething() {
System.out.println("Doing something...");
}
}
使用方法：Singleton.INSTANCE.doSomething();
优点：
- 极其简单：代码简洁。
- 线程安全：枚举实例的创建由 JVM 保证全局唯一。
- 防止反射攻击：枚举类默认不允许通过反射创建实例，能有效防止通过反射破坏单例。
- 防止反序列化破坏：Java 规范保证每个枚举类型和定义的枚举变量都是唯一的，在序列化和反序列化时不会创建新的对象。
【中等】什么是简单工厂模式？有哪些经典的应用场景？
简单工厂模式由一个工厂类统一负责对象的创建，根据传入的参数决定具体创建哪种产品。 客户端无需关心创建细节，实现创建与使用的分离。
三大角色
- 工厂 (Factory)：核心，包含创建逻辑的静态方法。
- 抽象产品 (Product)：所有具体产品的父类或接口，定义公共方法。
- 具体产品 (Concrete Product)：工厂创建的目标，实现抽象产品接口。
经典应用场景
- JDK：
Calendar.getInstance(),NumberFormat.getInstance() - 日志框架：
LoggerFactory.getLogger() - 数据库连接：
DriverManager.getConnection(), 连接池获取连接 - 加密解密：
KeyGenerator.getInstance("AES") - GUI 工具包：跨平台创建控件
优缺点
- 优点：解耦（创建与使用分离）、职责清晰（代码易于维护）。
- 缺点：违反开闭原则（新增产品必须修改工厂逻辑），工厂类会变得臃肿。
【中等】什么是工厂模式？有哪些经典的应用场景？
工厂模式将对象的创建过程封装起来，与使用它的代码解耦。客户端不关心对象如何被创建，只关心如何使用。
三种工厂模式对比
| 模式 | 核心思想 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 简单工厂 | 一个“万能”工厂，根据参数创建一种类型的不同产品。 | 结构简单，封装创建过程。 | 违反开闭原则，新增产品需修改工厂。 | 产品类型少且稳定（如计算器运算）。 |
| 工厂方法 | 定义一个创建接口，让子类工厂决定实例化哪一种产品。 | 符合开闭原则，易于扩展新产品。 | 类数量增多（每产品一工厂）。 | 需要频繁扩展新产品个体（如新增日志输出源）。 |
| 抽象工厂 | 一个工厂创建一整套（一族） 相关的产品。 | 保证产品族兼容性，切换整套产品方便。 | 难以支持新增产品种类。 | 需要创建一组有关联的产品（如整套跨平台 UI 控件）。 |
经典应用场景
JDK/框架级应用：
Calendar.getInstance(),DriverManager.getConnection()（简单工厂）Collection.iterator()（工厂方法 - 每个集合生产自己的迭代器）- Spring IOC 容器：终极的工厂，
getBean()是核心工厂方法。
工具库：
- 日志框架（SLF4J）：
getLogger()是工厂方法，绑定不同实现（Logback, Log4j）就是具体工厂。 - JDBC：
Connection是抽象工厂，其createStatement()是工厂方法。
- 日志框架（SLF4J）：
业务系统：
- 支付系统：
PaymentFactory下有AliPayFactory,WeChatPayFactory（工厂方法），每个工厂生产一套支付产品（支付、退款、查询）。 - UI 主题/游戏风格：
DarkThemeFactory和LightThemeFactory分别生产一套 dark/light 风格的按钮、对话框、菜单（抽象工厂）。
- 支付系统：
一句话总结
- 简单工厂：怎么造？我一个厂子全包了！（产品扩展麻烦）
- 工厂方法：造什么？我开分厂，每个分厂专精一样！（个体扩展方便）
- 抽象工厂：要配套！我开集团，每个集团生产一套组合产品！（整套切换方便）
结构型模式
【中等】什么是代理模式？有哪些经典的应用场景？
代理模式通过一个“中介”（代理对象）来控制和管理对另一个对象（真实对象）的访问。代理与真实对象实现相同的接口，使客户端无感知。
典型应用场景
| 代理类型 | 核心目的 | 经典应用场景 |
|---|---|---|
| RPC | 隐藏对象不在本地的事实，提供本地代表。 | RPC 框架（如 gRPC, Dubbo）、Java RMI。客户端调用的 Stub 就是代理。 |
| AOP | 在访问前后添加额外操作，增强功能。 | Spring AOP（日志、事务）、ORM 懒加载（Hibernate/MyBatis）、缓存。 |
代理模式的核心价值在于：在不修改原始对象的情况下，通过代理间接访问，从而实现权限控制、功能增强或性能优化。它是 Spring AOP 等技术的基石。
行为型模式
【中等】什么是策略模式？有哪些经典的应用场景？
策略模式定义一族算法，封装每个算法，并使它们可以互相替换。策略模式让算法的变化独立于使用它的客户端，实现“做什么”和“怎么做”的分离。
三大核心角色
- 上下文 (Context)：持有策略的引用，负责对接客户端，并委托策略执行。
- 抽象策略 (Strategy)：策略家族的抽象（接口或抽象类），定义了所有策略必须实现的方法。
- 具体策略 (Concrete Strategy)：实现了抽象策略接口的具体算法。
核心价值与优点
- 消除条件判断：用组合替代大量
if-else或switch，使代码更清晰。 - 符合开闭原则：新增策略只需添加新类，无需修改上下文或已有代码，扩展性极佳。
- 算法复用与独立：算法可以独立变化和复用。
经典应用场景
- 电商促销：无缝切换折扣、立减、满减等不同计价策略。
- 支付系统：灵活支持支付宝、微信、银联等不同支付方式。
- 排序比较：Java 中的
Comparator接口是典范，传入不同比较器实现不同排序规则。 - 导航规划：根据用户选择（最短时间、最短距离、避开收费）计算不同路线。
- 游戏 AI：角色动态切换攻击（近战、远程）或移动（行走、奔跑）策略。
当代码中出现大量条件判断来选择不同行为时，就是使用策略模式的最佳时机。它通过“组合”和“委托”将算法灵活地包装起来，便于任意替换和扩展。
【中等】什么是观察者模式？有哪些经典的应用场景？
观察者模式实现一对多的依赖关系（又称发布-订阅模型），当一个对象（主题）状态改变时，它能自动通知并更新所有依赖它的对象（观察者）。
两大核心角色
- 主题 (Subject)：维护一个观察者列表，提供注册、移除和通知的方法。
- 观察者 (Observer)：定义一个接收通知的更新接口。
核心价值与优点
- 松耦合：主题与观察者互不知晓对方细节，仅通过接口交互，独立性极强。
- 动态联动：支持在运行时动态地添加或删除观察者，非常灵活。
- 广播通信：主题的一次调用可以触发所有观察者的更新。
经典应用场景
- GUI 事件处理：按钮、鼠标等控件（主题）的事件监听器（观察者）。
- 发布-订阅消息队列：Kafka、RabbitMQ 等中间件（分布式观察者模式）。
- 前端响应式框架：Vue/React 的响应式系统（数据变 → 视图自动更新）。
- MVC 架构：模型（Model）数据变化 → 自动通知视图（View）更新。
- 社交媒体推送：你关注的人（主题）发帖 → 你（观察者）的时间线更新。
【中等】什么是模板方法模式？有哪些经典的应用场景？
模板方法模式中，父类定义算法骨架（模板方法），子类实现具体步骤。实现“流程固定，细节可变”，确保逻辑顺序一致的同时允许特定步骤个性化。
两大核心角色
- 抽象类 (Abstract Class)：
- 包含一个
final模板方法（定义不可更改的算法流程）。 - 包含抽象方法（必须由子类实现）、具体方法（通用步骤）和钩子方法（可选步骤，提供额外扩展点）。
- 包含一个
- 具体子类 (Concrete Class)：仅负责实现父类定义的抽象方法，填充算法骨架中的具体步骤。
核心价值与优点
- 代码复用：将公共流程提升至父类，避免子类代码重复。
- 反向控制（好莱坞原则）：父类控制流程，“调用”子类，而非子类调用父类。
- 便于扩展与维护：新增行为只需增加子类；修改流程只需改动父类一处。
经典应用场景
- 框架设计：是框架的基石，定义扩展流程。
- Java Servlet：
HttpServlet.service()是模板方法，调用开发者重写的doGet()/doPost()。 - Spring JdbcTemplate：固定了数据库操作流程（取连接、执行、释放资源），开发者提供 SQL 和结果处理逻辑。
- Java Servlet：
- 单元测试：JUnit 的
TestCase定义了setUp() → testMethod() → tearDown()的标准流程。 - 生命周期管理：Android Activity 的生命周期方法调用顺序由系统框架固定。
- 通用算法：Java 集合框架的
AbstractList提供了基于get()和size()的通用算法实现。
【中等】什么是责任链模式？有哪些经典的应用场景？
责任链模式将处理请求的对象连成一条链，请求沿链传递，直到有一个对象处理它为止。实现“谁有空谁处理”的“踢皮球”机制。
两大核心角色
- 处理者 (Handler)：定义处理请求的接口，并持有下一个处理者的引用。
- 具体处理者 (Concrete Handler)：实现处理接口。能处理则处理，不能处理则转发给下一个。
核心价值与优点
- 解耦：请求发送者无需知道谁处理请求，只需向链首提交。
- 动态灵活：可动态增删或调整处理者顺序，灵活改变处理流程。
- 职责清晰：每个处理者只需关注自己的职责范围。
经典应用场景
- 审批流程：多级审批（如报销、请假），根据金额、类型等条件由不同级别领导处理。
- Web 过滤器/拦截器：Java Servlet FilterChain 和 Spring Interceptor，请求依次通过权限校验、日志、编码等过滤器。
- 异常处理：Java 的
try-catch块就是责任链，沿调用栈寻找匹配的异常处理器。 - 事件冒泡：UI 编程中（如浏览器 DOM），事件从子元素向父元素逐级传播处理。
- 日志系统：日志消息根据级别（DEBUG, ERROR）被传递到不同的输出端（控制台、文件）。
参考资料
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