設計模式詳解——裝飾者模式

本篇文章介紹一種設計模式——裝飾者模式。裝飾者模式在Java中的典型應用就是IO流，在本篇文章中將有詳細介紹。本篇文章內容參考《JAVA與模式》之裝飾模式。

一、裝飾者模式的概念

裝飾者模式又名包裝(Wrapper)模式。裝飾者模式以對客戶端透明的方式擴展對象的功能，是繼承關係的一個替代方案。

裝飾者模式動態地將責任附加到對象身上。若要擴展功能，裝飾者提供了比繼承更有彈性的替代方案。

二、裝飾者模式的結構

裝飾者模式以對客戶透明的方式動態地給一個對象附加上更多的責任。換言之，客戶端並不會覺得對象在裝飾前和裝飾後有什麼不同。裝飾者模式可以在不使用創造更多子類的情況下，將對象的功能加以擴展。

　　裝飾者模式的類圖如下：

　在裝飾模式中的角色有：

　　●　　抽象構件(Component)角色：給出一個抽象接口，以規範準備接收附加責任的對象。

　　●　　具體構件(ConcreteComponent)角色：定義一個將要接收附加責任的類。

　　●　　裝飾(Decorator)角色：持有一個構件(Component)對象的實例，並定義一個與抽象構件接口一致的接口。

　　●　　具體裝飾(ConcreteDecorator)角色：負責給構件對象“貼上”附加的責任。
抽象構件角色

public interface Component {

    public void sampleOperation();

}

具體構件角色

public class ConcreteComponent implements Component {

    @Override
    public void sampleOperation() {
        // 寫相關的業務代碼
    }
}

裝飾角色

public class Decorator implements Component{
    private Component component;

    public Decorator(Component component){
        this.component = component;
    }

    @Override
    public void sampleOperation() {
        // 委派給構件
        component.sampleOperation();
    }   
}

具體裝飾角色

public class ConcreteDecoratorA extends Decorator {

    public ConcreteDecoratorA(Component component) {
        super(component);
    }

    @Override
    public void sampleOperation() {
      // 寫相關的業務代碼
　　　super.sampleOperation();
     // 寫相關的業務代碼
    }
}

三、裝飾者模式實例演示

齊天大聖的例子
孫悟空有七十二般變化，他的每一種變化都給他帶來一種附加的本領。他變成魚兒時，就可以到水裏游泳；他變成鳥兒時，就可以在天上飛行。

本例中，Component的角色便由鼎鼎大名的齊天大聖扮演；ConcreteComponent的角色屬於大聖的本尊，就是猢猻本人；Decorator的角色由大聖的七十二變扮演。而ConcreteDecorator的角色便是魚兒、鳥兒等七十二般變化。

抽象構件角色“齊天大聖”接口定義了一個move()方法，這是所有的具體構件類和裝飾類必須實現的。

//大聖的尊號
public interface TheGreatestSage {

    public void move();
}

具體構件角色“大聖本尊”猢猻類

public class Monkey implements TheGreatestSage {

    @Override
    public void move() {
        //代碼
        System.out.println("Monkey Move");
    }
}

抽象裝飾角色“七十二變”

public class Change implements TheGreatestSage {
    private TheGreatestSage sage;

    public Change(TheGreatestSage sage){
        this.sage = sage;
    }
    @Override
    public void move() {
        // 代碼
        sage.move();
    }
}

具體裝飾角色“魚兒”

public class Fish extends Change {

    public Fish(TheGreatestSage sage) {
        super(sage);
    }

    @Override
    public void move() {
        // 代碼
        System.out.println("Fish Move");
    }
}

具體裝飾角色“鳥兒”

public class Bird extends Change {

    public Bird(TheGreatestSage sage) {
        super(sage);
    }

    @Override
    public void move() {
        // 代碼
        System.out.println("Bird Move");
    }
}

客戶端調用

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        TheGreatestSage sage = new Monkey();
        // 第一種寫法  單層裝飾
        TheGreatestSage bird = new Bird(sage);
        TheGreatestSage fish = new Fish(bird);
        // 第二種寫法 雙層裝飾
        //TheGreatestSage fish = new Fish(new Bird(sage));
        fish.move(); 
    }
}

“大聖本尊”是ConcreteComponent類，而“鳥兒”、“魚兒”是裝飾類。要裝飾的是“大聖本尊”，也即“猢猻”實例。

上面的例子中，第二種些方法：系統把大聖從一隻猢猻裝飾成了一隻鳥兒（把鳥兒的功能加到了猢猻身上），然後又把鳥兒裝飾成了一條魚兒（把魚兒的功能加到了猢猻+鳥兒身上，得到了猢猻+鳥兒+魚兒）。

如上圖所示，大聖的變化首先將鳥兒的功能附加到了猢猻身上，然後又將魚兒的功能附加到猢猻+鳥兒身上。

四、裝飾者模式的一些變化

1.裝飾者模式的簡化

大多數情況下，裝飾者模式的實現都要比上面給出的示意性例子要簡單。

如果只有一個ConcreteComponent類，那麼可以考慮去掉抽象的Component類（接口），把Decorator作爲一個ConcreteComponent子類。如下圖所示：

如果只有一個ConcreteDecorator類，那麼就沒有必要建立一個單獨的Decorator類，而可以把Decorator和ConcreteDecorator的責任合併成一個類。甚至在只有兩個ConcreteDecorator類的情況下，都可以這樣做。如下圖所示：

2.透明性的要求

裝飾者模式對客戶端的透明性要求程序不要聲明一個ConcreteComponent類型的變量，而應當聲明一個Component類型的變量。

用孫悟空的例子來說，必須永遠把孫悟空的所有變化都當成孫悟空來對待，而如果把老孫變成的魚兒當成魚兒，而不是老孫，那就被老孫騙了，而這時不應當發生的。下面的做法是對的：

TheGreatestSage sage = new Monkey();
TheGreatestSage bird = new Bird(sage);

而下面的做法是不對的：

Monkey sage = new Monkey();
Bird bird = new Bird(sage);

3.半透明的裝飾者模式

然而，純粹的裝飾者模式很難找到。裝飾者模式的用意是在不改變接口的前提下，增強所考慮的類的性能。在增強性能的時候，往往需要建立新的公開的方法。即便是在孫大聖的系統裏，也需要新的方法。比如齊天大聖類並沒有飛行的能力，而鳥兒有。這就意味着鳥兒應當有一個新的fly()方法。再比如，齊天大聖類並沒有游泳的能力，而魚兒有，這就意味着在魚兒類裏應當有一個新的swim()方法。

這就導致了大多數的裝飾者模式的實現都是“半透明”的，而不是完全透明的。換言之，允許裝飾者模式改變接口，增加新的方法。這意味着客戶端可以聲明ConcreteDecorator類型的變量，從而可以調用ConcreteDecorator類中才有的方法：

TheGreatestSage sage = new Monkey();
Bird bird = new Bird(sage);
bird.fly();

半透明的裝飾者模式是介於裝飾者模式和適配器模式之間的。適配器模式的用意是改變所考慮的類的接口，也可以通過改寫一個或幾個方法，或增加新的方法來增強或改變所考慮的類的功能。大多數的裝飾者模式實際上是半透明的裝飾者模式，這樣的裝飾者模式也稱做半裝飾、半適配器模式。

五、裝飾者模式的優缺點

裝飾模式的優點

　　（1）裝飾模式與繼承關係的目的都是要擴展對象的功能，但是裝飾模式可以提供比繼承更多的靈活性。裝飾模式允許系統動態決定“貼上”一個需要的“裝飾”，或者除掉一個不需要的“裝飾”。繼承關係則不同，繼承關係是靜態的，它在系統運行前就決定了。

　　（2）通過使用不同的具體裝飾類以及這些裝飾類的排列組合，設計師可以創造出很多不同行爲的組合。

裝飾模式的缺點

　　由於使用裝飾模式，可以比使用繼承關係需要較少數目的類。使用較少的類，當然使設計比較易於進行。但是，在另一方面，使用裝飾模式會產生比使用繼承關係更多的對象。更多的對象會使得查錯變得困難，特別是這些對象看上去都很相像。

六、裝飾者模式在Java IO流中的應用

裝飾者模式在Java語言中的最著名的應用莫過於Java I/O標準庫的設計了。

由於Java I/O庫需要很多性能的各種組合，如果這些性能都是用繼承的方法實現的，那麼每一種組合都需要一個類，這樣就會造成大量性能重複的類出現。而如果採用裝飾者模式，那麼類的數目就會大大減少，性能的重複也可以減至最少。因此裝飾者模式是Java I/O庫的基本模式。

Java I/O庫的對象結構圖如下，由於Java I/O的對象衆多，因此只畫出InputStream的部分。

根據上圖可以看出：

　　●　　抽象構件(Component)角色：由InputStream扮演。這是一個抽象類，爲各種子類型提供統一的接口。

　　●　　具體構件(ConcreteComponent)角色：由ByteArrayInputStream、FileInputStream、PipedInputStream、StringBufferInputStream等類扮演。它們實現了抽象構件角色所規定的接口。

　　●　　抽象裝飾(Decorator)角色：由FilterInputStream扮演。它實現了InputStream所規定的接口。

　　●　　具體裝飾(ConcreteDecorator)角色：由幾個類扮演，分別是BufferedInputStream、DataInputStream以及兩個不常用到的類LineNumberInputStream、PushbackInputStream。

關於IO流的框架可以看我寫的這篇文章。

半透明的裝飾者模式

裝飾者模式和適配器模式都是“包裝模式(Wrapper Pattern)”，它們都是通過封裝其他對象達到設計的目的的，但是它們的形態有很大區別。

理想的裝飾者模式在對被裝飾對象進行功能增強的同時，要求具體構件角色、裝飾角色的接口與抽象構件角色的接口完全一致。而適配器模式則不然，一般而言，適配器模式並不要求對源對象的功能進行增強，但是會改變源對象的接口，以便和目標接口相符合。

裝飾者模式有透明和半透明兩種，這兩種的區別就在於裝飾角色的接口與抽象構件角色的接口是否完全一致。透明的裝飾者模式也就是理想的裝飾者模式，要求具體構件角色、裝飾角色的接口與抽象構件角色的接口完全一致。相反，如果裝飾角色的接口與抽象構件角色接口不一致，也就是說裝飾角色的接口比抽象構件角色的接口寬的話，裝飾角色實際上已經成了一個適配器角色，這種裝飾者模式也是可以接受的，稱爲“半透明”的裝飾模式，如下圖所示。

在適配器模式裏面，適配器類的接口通常會與目標類的接口重疊，但往往並不完全相同。換言之，適配器類的接口會比被裝飾的目標類接口寬。

顯然，半透明的裝飾者模式實際上就是處於適配器模式與裝飾者模式之間的灰色地帶。如果將裝飾者模式與適配器模式合併成爲一個“包裝模式”的話，那麼半透明的裝飾者模式倒可以成爲這種合併後的“包裝模式”的代表。

InputStream類型中的裝飾者模式

InputStream類型中的裝飾者模式是半透明的。爲了說明這一點，不妨看一看作裝飾者模式的抽象構件角色的InputStream的源代碼。這個抽象類聲明瞭九個方法，並給出了其中八個的實現，另外一個是抽象方法，需要由子類實現。

public abstract class InputStream implements Closeable {

    public abstract int read() throws IOException;


    public int read(byte b[]) throws IOException {}

    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {}

    public long skip(long n) throws IOException {}

    public int available() throws IOException {}

    public void close() throws IOException {}

    public synchronized void mark(int readlimit) {}

    public synchronized void reset() throws IOException {}

    public boolean markSupported() {}
}

下面是作爲裝飾模式的抽象裝飾角色FilterInputStream類的源代碼。可以看出，FilterInputStream的接口與InputStream的接口是完全一致的。也就是說，直到這一步，還是與裝飾模式相符合的。

public class FilterInputStream extends InputStream {
    protected FilterInputStream(InputStream in) {}

    public int read() throws IOException {}

    public int read(byte b[]) throws IOException {}

    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {}

    public long skip(long n) throws IOException {}

    public int available() throws IOException {}

    public void close() throws IOException {}

    public synchronized void mark(int readlimit) {}

    public synchronized void reset() throws IOException {}

    public boolean markSupported() {}
}

下面是具體裝飾角色PushbackInputStream的源代碼。

public class PushbackInputStream extends FilterInputStream {
    private void ensureOpen() throws IOException {}

    public PushbackInputStream(InputStream in, int size) {}

    public PushbackInputStream(InputStream in) {}

    public int read() throws IOException {}

    public int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException {}

    public void unread(int b) throws IOException {}

    public void unread(byte[] b, int off, int len) throws IOException {}

    public void unread(byte[] b) throws IOException {}

    public int available() throws IOException {}

    public long skip(long n) throws IOException {}

    public boolean markSupported() {}

    public synchronized void mark(int readlimit) {}

    public synchronized void reset() throws IOException {}

    public synchronized void close() throws IOException {}
}

查看源碼，你會發現，這個裝飾類提供了額外的方法unread()，這就意味着PushbackInputStream是一個半透明的裝飾類。換言 之，它破壞了理想的裝飾者模式的要求。如果客戶端持有一個類型爲InputStream對象的引用in的話，那麼如果in的真實類型是 PushbackInputStream的話，只要客戶端不需要使用unread()方法，那麼客戶端一般沒有問題。但是如果客戶端必須使用這個方法，就 必須進行向下類型轉換。將in的類型轉換成爲PushbackInputStream之後纔可能調用這個方法。但是，這個類型轉換意味着客戶端必須知道它 拿到的引用是指向一個類型爲PushbackInputStream的對象。這就破壞了使用裝飾者模式的原始用意。

現實世界與理論總歸是有一段差距的。純粹的裝飾者模式在真實的系統中很難找到。一般所遇到的，都是這種半透明的裝飾者模式。

下面是使用I/O流讀取文件內容的簡單操作示例。

public class IOTest {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 流式讀取文件
        DataInputStream dis = null;
        try{
            dis = new DataInputStream(
                    new BufferedInputStream(
                            new FileInputStream("test.txt")
                    )
            );
            //讀取文件內容
            byte[] bs = new byte[dis.available()];
            dis.read(bs);
            String content = new String(bs);
            System.out.println(content);
        }finally{
            dis.close();
        }
    }
}

觀察上面的代碼，會發現最裏層是一個FileInputStream對象，然後把它傳遞給一個BufferedInputStream對象，經過BufferedInputStream處理，再把處理後的對象傳遞給了DataInputStream對象進行處理，這個過程其實就是裝飾器的組裝過程，FileInputStream對象相當於原始的被裝飾的對象，而BufferedInputStream對象和DataInputStream對象則相當於裝飾器。