设计模式之装饰器模式

应用场景

装饰器模式主要解决继承关系过于复杂的问题，通过组合来替代继承。它主要的作用是给原始类添加增强功能。

装饰器模式有一个特点，那就是可以对原始类嵌套使用多个装饰器。为了满足这个应用场景，在设计的时候，装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或者接口。

聊聊Java IO类

Java IO 类库非常庞大和复杂，有几十个类，负责 IO 数据的读取和写入。我们可以把IO类分为四类。

针对不同的读取和写入场景，Java IO 又在这四个父类基础之上，扩展出了很多子类。

相信大多数开发者在初次接触Java IO类时面对庞大的Java IO类家族产生困惑：为什么会有如此多的类？他们使用上有啥区别？

这里以读取 config.properties 文件为例，InputStream 是一个抽象类，FileInputStream 是专门用来读取文件流的子类。BufferedInputStream 是一个支持带缓存功能的数据读取类，可以提高数据读取的效率。

InputStream in = new FileInputStream("config.properties");
InputStream bin = new BufferedInputStream(in);
byte[] data = new byte[128];
while (bin.read(data) != -1) {
  //...
}

Java IO 为什么不设计一个继承 FileInputStream 并且支持缓存的BufferedFileInputStream 类呢？这样我们就可以直接创建new BufferedFileInputStream() 简单许多。

继承的问题

事实上如果只是扩展这一个类，那还可以接受，但是InputStream具有很多子类，如果我们继续按照继承的方式来实现的话，就需要再继续派生出 DataFileInputStream、DataPipedInputStream 等类。如果我们还需要既支持缓存、又支持按照基本类型读取数据的类，那就要再继续派生出 BufferedDataFileInputStream、BufferedDataPipedInputStream 等 n 多类。这还只是附加了两个增强功能，如果我们需要附加更多的增强功能，那就会导致组合爆炸，类继承结构变得无比复杂，代码既不好扩展，也不好维护。

所以Java的设计者没有使用继承的方式来进行扩展，而是使用组合，这里也体现了组合优于继承的设计原则。下面是简化的JDK源码

public abstract class InputStream {
    // ...
}

public class BufferedInputStream extends InputStream {
      protected volatile InputStream in;
    
    public BufferedInputStream(InputStream in) {
        this.in = in;
    }
    
        // 实现基于缓存的读取...

}

public class DataInputStream extends InputStream {
      protected volatile InputStream in;
    
    public BufferedInputStream(InputStream in) {
        this.in = in;
    }
    
        // 实现读取基本数据类型...

}

如果去查看 JDK 的源码，你会发现，BufferedInputStream、DataInputStream 并非继承自 InputStream，而是另外一个叫 FilterInputStream 的类。

这是因为InputStream是一个抽象类，其中很多方法已经有了默认实现。我们想复用这些实现，但是我们是通过在构造函数注入InputStream，然后赋值给成员变量InputStream in，将所有功能委托给成员变量in来实现的，因此抽象类InputStream的方法即使被继承，调用的对象也是当前类实例，而不是委托给in，所以需要有一个装饰器类FilterInputStream。

public class FilterInputStream extends InputStream {
  protected volatile InputStream in;
  protected FilterInputStream(InputStream in) {
    this.in = in;
  }
  public int read() throws IOException {
    return in.read();
  }
  public int read(byte b[]) throws IOException {
    return read(b, 0, b.length);
  }
   
  public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    return in.read(b, off, len);
  }
  public long skip(long n) throws IOException {
    return in.skip(n);
  }
  public int available() throws IOException {
    return in.available();
  }
  public void close() throws IOException {
    in.close();
  }
  public synchronized void mark(int readlimit) {
    in.mark(readlimit);
  }
  public synchronized void reset() throws IOException {
    in.reset();
  }
  public boolean markSupported() {
    return in.markSupported();
  }
}

装饰器模式是简单的“用组合替代继承”吗？

当然不是。从 Java IO 的设计来看，装饰器模式有两个比较特殊的地方：

• 装饰器类和原始类继承同样的父类，这样我们可以对原始类“嵌套”多个装饰器类。

InputStream in = new FileInputStream("content.txt");
InputStream bin = new BufferedInputStream(in);
DataInputStream din = new DataInputStream(bin);
int data = din.readInt();

• 装饰器类是对功能的增强，这也是装饰器模式应用场景的一个重要特点。

跟代理模式的区别

代理模式中，代理类附加的是跟原始类无关的功能，而在装饰器模式中，装饰器类附加的是跟原始类相关的增强功能。

类图

代码实现

Shape

public abstract class Shape {

    public abstract void draw();

    public abstract void doOther();

}

Circle

public class Circle extends Shape {

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("You are drawing circle...");
    }

    @Override
    public void doOther() {
        System.out.println("You are doing other...");
    }

}

Square

public class Square extends Shape {

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("You are drawing square...");
    }

    @Override
    public void doOther() {
        System.out.println("You are doing other...");
    }

}

ShapeDecorator

public class ShapeDecorator extends Shape {

    protected Shape shape;

    public ShapeDecorator(Shape shape) {
        this.shape = shape;
    }

    @Override
    public void draw() {
        shape.draw();
    }

    @Override
    public void doOther() {
        shape.doOther();
    }

}

RedShapeDecorator

public class RedShapeDecorator extends ShapeDecorator {

    public RedShapeDecorator(Shape shape) {
        super(shape);
    }

    @Override
    public void draw() {
        shape.draw();
        System.out.println("The shape color is red");
    }

}

Main

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Shape shape;
        RedShapeDecorator decorator;

        shape = new Circle();
        decorator = new RedShapeDecorator(shape);
        decorator.draw();
        decorator.doOther();

        shape = new Square();
        decorator = new RedShapeDecorator(shape);
        decorator.draw();
        decorator.doOther();
    }

}