設計模式與現代 Java

/** * 開放封閉：面積計算依賴 Shape 抽象。 * 新增形狀只要新增類別，不必修改既有的計算邏輯。 */ public class OpenClosed

interface Shape double area(); // 抽象：每種形狀自己算面積

record Circle(double r) implements Shape public double area() return Math.PI * r * r; record Square(double side) implements Shape public double area() return side * side;

public static void main(String[] args) Shape[] shapes = new Circle(2), new Square(3) ; for (Shape s : shapes) // 這段程式碼永遠不必因新增形狀而修改 System.out.printf(" s.getClass().getSimpleName(), s.area());

/** * 彙整單例的常見寫法，各有取捨。 */ public class Singletons

/** 餓漢式：類別載入即建立，天生執行緒安全，但無法延遲 */ static class Eager private static final Eager INSTANCE = new Eager(); private Eager() public static Eager get() return INSTANCE;

/** 雙重檢查鎖：延遲建立又高效，volatile 不可省 */ static class DoubleChecked // volatile 防止指令重排導致「看到未初始化完成的物件」 private static volatile DoubleChecked instance; private DoubleChecked() public static DoubleChecked get() if (instance == null) // 第一次檢查（免鎖） synchronized (DoubleChecked.class) if (instance == null) // 第二次檢查（持鎖） instance = new DoubleChecked(); return instance;

/** 靜態內部類別：兼顧延遲與執行緒安全，寫法最優雅 */ static class Holder private Holder() private static class Lazy static final Holder INSTANCE = new Holder(); public static Holder get() return Lazy.INSTANCE;

public static void main(String[] args) System.out.println("餓漢式同一實體？" + (Eager.get() == Eager.get())); System.out.println("雙重檢查同一實體？" + (DoubleChecked.get() == DoubleChecked.get())); System.out.println("靜態內部類別同一實體？" + (Holder.get() == Holder.get()));

/** * 工廠方法：抽象工廠定義「生產」的規格，子工廠決定生產什麼。 * 新增運輸方式只要新增產品類別與工廠子類別，不動既有程式。 */ public class FactoryMethod

interface Transport String deliver(); static class Truck implements Transport public String deliver() return "以卡車走陸運"; static class Ship implements Transport public String deliver() return "以貨船走海運";

/** 抽象工廠：把建立動作延遲到子類別 */ abstract static class Logistics abstract Transport createTransport(); // 工廠方法 String plan() return "配送計畫：" + createTransport().deliver(); static class RoadLogistics extends Logistics Transport createTransport() return new Truck(); static class SeaLogistics extends Logistics Transport createTransport() return new Ship();

public static void main(String[] args) System.out.println(new RoadLogistics().plan()); System.out.println(new SeaLogistics().plan());

/** * 建造者模式：以鏈式 API 清楚地組裝物件，產出不可變的 HttpRequest。 * 對照標準庫的 HttpRequest.newBuilder()、StringBuilder。 */ public class BuilderDemo

/** 不可變的目標物件，只能透過 Builder 建立 */ static final class HttpRequest

private final String url; // 必填 private final String method; // 選填，有預設 private final int timeout; // 選填，有預設

private HttpRequest(Builder b) this.url = b.url; this.method = b.method; this.timeout = b.timeout; public String toString() return method + " " + url + " (逾時 " + timeout + "s)";

static class Builder

private final String url; // 必填放建構子 private String method = "GET"; // 預設值 private int timeout = 30;

Builder(String url) this.url = url; Builder method(String m) this.method = m; return this; Builder timeout(int t) this.timeout = t; return this; HttpRequest build() return new HttpRequest(this);

public static void main(String[] args) // 只設定需要的項目，可讀性極佳 HttpRequest req = new HttpRequest.Builder("https://api.example.com") .method("POST") .timeout(60) .build(); System.out.println(req);

import java.util.function.DoubleUnaryOperator;

/** * 策略模式：折扣演算法可替換。 * 傳統要為每種策略寫一個類別；用 Lambda 則一行搞定。 */ public class StrategyDemo

/** 結帳時注入折扣策略 */ static double checkout(double price, DoubleUnaryOperator discount) return discount.applyAsDouble(price); // 套用策略

public static void main(String[] args) double price = 1000; // 每個策略就是一個 Lambda，取代一整個策略類別 System.out.println("原價：" + checkout(price, p -> p)); System.out.println("九折：" + checkout(price, p -> p * 0.9)); System.out.println("折百：" + checkout(price, p -> p - 100));

import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.function.Consumer;

/** * 觀察者模式：新聞社發布消息，所有訂閱者自動收到。 * 觀察者用 Consumer 表達，註冊即訂閱。 */ public class ObserverDemo

/** 主題：維護訂閱者清單並負責廣播 */ static class NewsAgency private final List<Consumer<String>> subscribers = new ArrayList<>(); void subscribe(Consumer<String> s) subscribers.add(s); void publish(String news) // 狀態改變時通知每一個觀察者 subscribers.forEach(s -> s.accept(news));

public static void main(String[] args)

NewsAgency agency = new NewsAgency(); // 兩個觀察者訂閱 agency.subscribe(n -> System.out.println("讀者A收到：" + n)); agency.subscribe(n -> System.out.println("讀者B收到：" + n));

agency.publish("Java 21 發布虛擬執行緒"); // 一發布，全員收到

/** * 裝飾者模式：以「包裹」的方式層層疊加功能。 * 每個裝飾者持有被裝飾者，並在其行為上加料。 */ public class DecoratorDemo

interface Beverage String desc(); int cost(); /** 基礎飲料 */ static class Coffee implements Beverage public String desc() return "咖啡"; public int cost() return 50; /** 裝飾者基底：持有一個被裝飾的飲料 */ abstract static class AddOn implements Beverage protected final Beverage base; AddOn(Beverage base) this.base = base; static class Milk extends AddOn Milk(Beverage b) super(b); public String desc() return base.desc() + "+牛奶"; public int cost() return base.cost() + 10; static class Sugar extends AddOn Sugar(Beverage b) super(b); public String desc() return base.desc() + "+糖"; public int cost() return base.cost() + 5;

public static void main(String[] args) // 一層層包裝：咖啡 → 加牛奶 → 加糖 Beverage drink = new Sugar(new Milk(new Coffee())); System.out.println(drink.desc() + " = " + drink.cost() + " 元");

/** * record 自動產生樣板方法；緊湊建構子集中做驗證。 */ public class RecordDemo

/** 一行定義不可變的座標，緊湊建構子確保非負 */ record Point(int x, int y) Point // 緊湊建構子（無參數列） if (x < 0 || y < 0) throw new IllegalArgumentException("座標不可為負");

public static void main(String[] args)

Point p = new Point(3, 4); System.out.println("toString 自動產生：" + p); System.out.println("存取方法：" + p.x() + ", " + p.y());

// 值相等即 equals 相等（自動實作） System.out.println("值相等？" + p.equals(new Point(3, 4)));

// text block：多行字串免跳脫 String json = """ "x": 3, "y": 4 """; System.out.println(json);

/** * 用 sealed 介面 + record + switch 模式匹配求值算術運算式。 * sealed 保證子型別有限，switch 可省略 default 且窮盡性由編譯器把關。 */ public class ExprEval

/** 密封介面：運算式只可能是這三種 */ sealed interface Expr permits Num, Add, Mul record Num(double value) implements Expr record Add(Expr left, Expr right) implements Expr record Mul(Expr left, Expr right) implements Expr

/** 求值：對每種運算式解構後遞迴計算 */ static double eval(Expr e) return switch (e) // record 解構：直接把欄位綁定成區域變數 case Num(double v) -> v; case Add(Expr l, Expr r) -> eval(l) + eval(r); case Mul(Expr l, Expr r) -> eval(l) * eval(r); // 不需要 default：sealed 已保證窮盡所有情況 ;

public static void main(String[] args) // 建構運算式：(2 + 3) * 4 Expr expr = new Mul(new Add(new Num(2), new Num(3)), new Num(4)); System.out.println("(2 + 3) * 4 = " + eval(expr));