设计模式(三)_装饰器模式

上篇学习了策略模式，现在回想下，什么是策略模式，好了。本篇主要介绍装饰器模式，just do it!

什么是装饰器模式

装饰器模式指的是动态的将责任附加到对象上。若要扩展功能，装饰器模式提供了比继承更弹性的替代方案。

如何使用装饰器模式

老王来到商场买衣服，需要买衣服，裤子，帽子......

public class Wang {

    public void show(){
        System.out.println("我穿上衣服，累计花费100元");
        System.out.println("我穿上裤子，累计花费250元");
        System.out.println("我穿上帽子，花费300元");
    }
}

如果老王每新买一件衣服，都要修改一下这个show方法，这就不符合开闭原则。我们可以用装饰器模式。针对这个过程，我画了老王买衣服的uml图

观察上图，观察模式主要有4个角色

• 抽象构件角色（给出一个抽象接口Person，以规范准备接受附加责任的对象）
• 装饰器父类
• 具体的装饰器对象
• 被装饰的对象

老王就是被装饰的对象，衣服帽子 就是装饰器
从图中可以看出，装饰器和被装饰的2个特点，也是装饰器模式的关键

• 装饰器和被装饰对象实现同一个接口；
• 装饰器中使用了被装饰的对象

代码实现

(1) 抽象构件角色

public interface Person {

    /**
     * 累积消费
     * @return
     */
    public double cost();

    public void show();
}

(2).老王，被装饰的对象

public class Wang implements Person {
    @Override
    public double cost() {
        return 0;
    }

    @Override
    public void show() {
        System.out.println("我是赤裸裸的老王");
    }
}

(3).装饰器父类，和被装饰对象实现同一个接口Person

public abstract class ClothesDecorator implements Person {
    protected  Person person;

    public ClothesDecorator(Person person){
        this.person = person;
    }
}

(4) 具体的装饰器类：衣服和帽子

public class Jacket extends ClothesDecorator {

    public Jacket(Person person){
        super(person);
    }
    @Override
    public double cost() {
        return person.cost()+100;
    }

    @Override
    public void show() {
        person.show();
        System.out.println("买了夹克，累计花了"+this.cost());
    }
}


public class Hat extends ClothesDecorator{
    public Hat(Person person) {
        super(person);
    }

    @Override
    public double cost() {
        return person.cost()+50;
    }

    @Override
    public void show() {
        person.show();
        System.out.println("买了帽子，累计花了"+this.cost());

    }
}

测试

        Person wang = new Wang();

        wang  = new Jacket(wang);

        wang  = new Hat(wang);
        
        //  wang  = new Hat(new Jacket(wang));
        
        wang.show();

        System.out.println("买单：王总共消费"+wang.cost());

输出结果

我是赤裸裸的老王
买了夹克，累计花了100.0
买了帽子，累计花了150.0
买单：王总共消费150.0

如果还要买鞋子，只要动态创建鞋子的装饰类，就可以了，不用修改已经写好的类。也贯彻了开闭原则。

使用装饰器模式的关键点

• 装饰器和被装饰对象实现同一个接口，实际开发中也可能使用继承。
• 装饰器中的方法可以调用被装饰对象提供的方法，以此实现功能累加的效果，例如，夹克装饰器和帽子装饰器中调用了 person.cost() + xx 实现累计消费金额的累加。

实际案例

装饰器模式在Java体系中的经典应用是Java I/O，下面讲解字节输入流InputStream
我简单画了UMl图，并用颜色进行了标注

定义中说：“装饰器提供了比继承更有弹性的解决方案”，为甚么这样说？

• InputStream假设这里写了两个实现类，FileInputStream，ObjectInputStream分别表示文件字节输入流，对象字节输入流
• 现在我要给这两个输入流加入一点缓冲功能以提高输入流效率，使用继承的方式，那么就写一个BufferedInputStream，继承FileInputStream，ObjectInputStream，给它们加功能
• 现在我有另外一个需求，需要给这两个输入流加入一点网络功能，那么就写一个SocketInputStream，继承继承FileInputStream，ObjectInputStream，给它们加功能。

这样就导致2个问题
1）、因为我要给哪个类加功能就必须继承它，比如我要给FileInputStream，ObjectInputStream加上缓冲功能、网络功能就得扩展出2*2=4个类，更多的以此类推，这样势必导致类数量不断膨胀
2）、代码无法复用，给FileInputStream，ObjectInputStream加入缓冲功能，本身代码应该是一样的，现在却必须继承完毕后把一样的代码重写一遍，多此一举，代码修改的时候必须修改多个地方，可维护性很差

所以，这个的时候我们就想到了一种解决方案：

• 在要扩展的类比如BufferedInputStream中持有一个InputStream的引用，在BufferedInputStream调用InputStream中的方法，这样扩展的代码就可以复用起来.

• 将BufferedInputStream作为InputStream的子类，这样客户端只知道我用的是InputStream而不需要关心具体实现，可以在客户端不知情的情况下，扩展InputStream的功能，加上缓冲功能
  这就是装饰器模式简单的由来，一切都是为了解决实际问题而诞生

代码分析

1、InputStream是一个抽象构件角色

public abstract class InputStream implements Closeable {

    // MAX_SKIP_BUFFER_SIZE is used to determine the maximum buffer size to
    // use when skipping.
    private static final int MAX_SKIP_BUFFER_SIZE = 2048;
    ...
    }

2、被装饰对象ByteArrayInputStream

public
class ByteArrayInputStream extends InputStream {

    /**
     * An array of bytes that was provided
     * by the creator of the stream. Elements <code>buf[0]</code>
     * through <code>buf[count-1]</code> are the
     * only bytes that can ever be read from the
     * stream;  element <code>buf[pos]</code> is
     * the next byte to be read.
     */
    protected byte buf[];

    ...
    }

3.装饰器父类FilterInputStream

public
class FilterInputStream extends InputStream {
    /**
     * The input stream to be filtered.
     */
    protected volatile InputStream in;
    

4、具体装饰类BufferedInputStream

public
class BufferedInputStream extends FilterInputStream {

    private static int DEFAULT_BUFFER_SIZE = 8192;

    /**
     * The maximum size of array to allocate.
     * Some VMs reserve some header words in an array.
     * Attempts to allocate larger arrays may result in
     * OutOfMemoryError: Requested array size exceeds VM limit
     */
    private static int MAX_BUFFER_SIZE = Integer.MAX_VALUE - 8;

具体测试

public static void main(String[] args) throws Exception
{
        File file = new File("src/test.txt");
        InputStream in0 = new FileInputStream(file);
        InputStream in1 = new BufferedInputStream(new FileInputStream(file));
        InputStream in2 = new DataInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream(file)));
}

我们这里实例化出了三个InputStream的实现类：

• in0这个引用指向的是new出来的FileInputStream，这里简单构造出了一个文件字节输入流
• in1这个引用指向的是new出来的BufferedInputStream，它给FileInputStream增加了缓冲功能，使得FileInputStream读取文件的内容保存在内存中，以提高读取的功能
• in2这个引用指向的是new出来的DataInputStream，它也给FileInputStream增加了功能，因为它有DataInputStream和BufferedInputStream两个附加的功能

半透明装饰器模式与全透明装饰器模式

• 对于半透明装饰器模式，装饰后的类未必有和抽象构件角色同样的接口方法，它可以有自己扩展的方法
• 对于全透明装饰器模式，装饰后的类有着和抽象构件角色同样的接口方法

如下面的代码,就是全透明装饰器模式

        File file = new File("src/test.txt");
        InputStream in0 = new FileInputStream(file);
        InputStream in1 = new BufferedInputStream(new FileInputStream(file));

半透明装饰器模式则是

        FileInputStream in3 = new FileInputStream(file);
        BufferedInputStream in4 = new BufferedInputStream(new FileInputStream(file));
        DataInputStream in5 = new DataInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream(file)));

全透明装饰器模式是一种比较理想主义的想法，现实中不太可能出现。

比如BufferedInputStream吧，我把FileInputStream装饰为BufferedInputStream，难道BufferedInputStream就完全没有自己的行为？

装饰器模式的作用是动态给对象增加一些功能，而不需要修改对象本身。

练习

根据装饰器模式，我们自定义一个装饰器，将所有的字母转成空格

src/src/test.txt 文本内容

hello java78879

装饰类

public class CharacterInputStream extends FilterInputStream {

    public CharacterInputStream(InputStream in) {
        super(in);
    }

    @Override
    public int read() throws IOException {
        //ASCLL码对照,[97,122] 和 [65,90]是英文字母
        int c = super.read();
        if(c >= 97 && c <= 122 || c >= 65 && c <= 90){
            return 32; //32是空格
        }else{
            return c;
        }
    }

}

测试

        DataInputStream in = new DataInputStream(
                new CharacterInputStream(
                        new FileInputStream("src/test.txt")));

        String str;
        while((str =  in.readLine()) != null){
            System.out.println(str);
        }

测试结果

          78879

总结

优点：

• 扩展功能的方式比较灵活；
  • 装饰器模式与继承关系的目的都是要扩展对象的功能，但是装饰器模式可以提供比继承更多的灵活性。装饰器模式允许系统动态决定贴上一个需要的装饰，或者除掉一个不需要的装饰。继承关系是不同，继承关系是静态的，它在系统运行前就决定了

• 每一个装饰器相互独立，需要修改时不会互相影响。

  缺点：

• 多层装饰比较复杂，就像 Java IO 流，对于初学者不友好。

代码下载 github