设计模式系列之装饰模式(Decorator Pattern)——扩展系统功能

2024-03-12 12:39:14

说明：设计模式系列文章是读刘伟所著《设计模式的艺术之道(软件开发人员内功修炼之道)》一书的阅读笔记。个人感觉这本书讲的不错，有兴趣推荐读一读。详细内容也可以看看此书作者的博客https://blog.csdn.net/LoveLion/article/details/17517213

模式概述

对新房进行装修并没有改变房屋用于居住的本质，但它可以让房子变得更漂亮、更温馨、更实用、更能满足居家的需求。在软件设计中，我们也有一种类似新房装修的技术可以对已有对象（新房）的功能进行扩展（装修），以获得更加符合用户需求的对象，使得对象具有更加强大的功能。这种技术对应于一种被称之为装饰模式的设计模式。

装饰模式可以在不改变一个对象本身功能的基础上给对象增加额外的新行为，在现实生活中，这种情况也到处存在，例如一张照片，我们可以不改变照片本身，给它增加一个相框，使得它具有防潮的功能，而且用户可以根据需要给它增加不同类型的相框，甚至可以在一个小相框的外面再套一个大相框。

模式定义

如何让系统中的类可以进行扩展但是又不会导致类数目的急剧增加？根据“合成复用原则”，在实现功能复用时，我们要多用关联，少用继承。

装饰模式是一种用于替代继承的技术，它通过一种无须定义子类的方式来给对象动态增加职责，使用对象之间的关联关系取代类之间的继承关系。在装饰模式中引入了装饰类，在装饰类中既可以调用待装饰的原有类的方法，还可以增加新的方法，以扩充原有类的功能。

装饰模式(Decorator Pattern)：动态地给一个对象增加一些额外的职责，就增加对象功能来说，装饰模式比生成子类实现更为灵活。装饰模式是一种对象结构型模式。

模式结构图

在装饰模式中，为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性，通常会定义一个抽象装饰类，而将具体的装饰类作为它的子类，装饰模式结构图如下所示：

在装饰模式结构图中包含如下几个角色：

Component（抽象构件）：它是具体构件和抽象装饰类的共同父类，声明了在具体构件中实现的业务方法，它的引入可以使客户端以一致的方式处理未被装饰的对象以及装饰之后的对象，实现客户端的透明操作。
ConcreteComponent（具体构件）：它是抽象构件类的子类，用于定义具体的构件对象，实现了在抽象构件中声明的方法，装饰器可以给它增加额外的职责（方法）。
Decorator（抽象装饰类）：它也是抽象构件类的子类，用于给具体构件增加职责，但是具体职责在其子类中实现。它维护一个指向抽象构件对象的引用，通过该引用可以调用装饰之前构件对象的方法，并通过其子类扩展该方法，以达到装饰的目的。
ConcreteDecorator（具体装饰类）：它是抽象装饰类的子类，负责向构件添加新的职责。每一个具体装饰类都定义了一些新的行为，它可以调用在抽象装饰类中定义的方法，并可以增加新的方法用以扩充对象的行为。

由于具体构件类和装饰类都实现了相同的抽象构件接口，因此装饰模式以对客户透明的方式动态地给一个对象附加上更多的责任，换言之，客户端并不会觉得对象在装饰前和装饰后有什么不同。装饰模式可以在不需要创造更多子类的情况下，将对象的功能加以扩展。

模式伪代码

装饰模式的核心在于抽象装饰类的设计，其典型代码如下所示：

public interface Component {
    void operation();
}

public class Decorator implements Component {
    // 维持一个对抽象构件对象的引用
    private Component component;

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

    @Override
    public void operation() {
        component.operation();
    }
}

值得注意的是：

在Decorator中并未真正实现operation()方法，而只是调用原有component对象的operation()方法，它没有真正实施装饰，而是提供一个统一的接口，将具体装饰过程交给子类完成。
由于在抽象装饰类Decorator中注入的是Component类型的对象，因此可以将一个具体构件对象注入其中，再通过具体装饰类来进行装饰；此外，我们还可以将一个已经装饰过的Decorator子类的对象再注入其中进行多次装饰，从而对原有功能的多次扩展。

在Decorator的子类即具体装饰类中将继承operation()方法并根据需要进行扩展，典型的具体装饰类代码如下：

public class ConcreteDecorator extends Decorator {

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

    @Override
    public void operation() {
        // 调用原有业务方法
        super.operation();
        // 调用新增业务方法
        addedBehavior();
    }

    // 新增业务方法
    public void addedBehavior() {

    }
}

具体装饰类中可以调用到抽象装饰类的operation()方法，同时可以定义新的业务方法，如addedBehavior()

透明装饰模式 vs 半透明装饰模式

上面介绍的装饰模式就是透明(Transparent)装饰模式，也即标准装饰模式。

透明装饰模式，客户端完全针对抽象编程，装饰模式的透明性要求客户端程序不应该将对象声明为具体构件类型或具体装饰类型，而应该全部声明为抽象构件类型。对于客户端而言，具体构件对象和具体装饰对象没有任何区别。也就是应该使用如下代码：

// 透明装饰模式应当使用抽象构件类型定义对象
Component c, c1;
c = new ConcreteComponent();
c1 = new ConcreteDecorator(c);

// **注意：透明装饰模式不应该使用具体类型来声明对象，比如下面的代码**
// ConcreteComponent c = new ConcreteComponent();
// ConcreteDecorator c1 = new ConcreteDecorator(c);

但是在实际使用过程中，由于新增行为可能需要单独调用（即客户端想自己单独调用装饰类中新增的方法来控制是否以及如何增强），因此这种形式的装饰模式也经常出现，这种装饰模式被称为半透明(Semi-transparent)装饰模式

半透明装饰模式中的具体装饰类对应的实现，即变为如下：

public class ConcreteDecorator extends Decorator {

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

    //@Override
    //public void operation() {
        // 调用原有业务方法
        // super.operation();
        // 调用新增业务方法
        //addedBehavior();
    //}

    // 新增业务方法
    public void addedBehavior() {

    }
}

注意 半透明装饰模式中的ConcreteDecorator类继承了父装饰类Decorator的operation()方法但并没有重写operation()方法，并新增了业务方法addedBehavior()，但这两个方法是完全独立的，没有任何调用关系。

即 半透明装饰模式中的ConcreteDecorator中的operation()并没有对注入的Component进行增强，只是增加了额外的方法addedBehavior()，这样一来是否增强Component就取决于客户端是否调用addedBehavior()方法。

客户端想增强Component，就需要分别调用这两个方法，代码片段如下：

// 原有构件
Component component = new ConcreteComponent();

// 用装饰器包装原有构件
ConcreteDecorator enhancedComponent = new ConcreteDecorator(component);

// 调用原有业务方法
enhancedComponent.operation();
// 调用新增业务方法，从而实现增强
enhancedComponent.addedBehavior();

显然半透明装饰模式最大的缺点在于不能实现对同一个对象的多次装饰，而且客户端需要有区别地对待装饰之前的对象和装饰之后的对象。

模式应用

模式在JDK中的应用

Java中的java.io包下io流的设计就充分使用了装饰模式。举个具体的例子，BufferedInputStream就是一个具体装饰者，它能为一个原本没有缓冲(buffer)功能的InputStream增加缓冲的功能。下面的代码应该司空见惯。

BufferedInputStream reader = new BufferedInputStream(new FileInputStream(new File("/tmp/1.txt")));

FileInputStream本没有缓冲功能，每次调用read方法，都会发起系统调用读数据。用BufferedInputStream来装饰它，那么每次调用read方法，会向操作系统多读一定量数据进入内存的buf[]，这样就提高了读的效率，避免频繁发起系统调用。

BufferedInputStream构造器中注入了InputStream

public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {
    super(in);
    if (size <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
    }
    buf = new byte[size];
}

BufferedInputStream继承了父装饰器FilterInputStream，维持了对InputStream的引用

public class FilterInputStream extends InputStream {

  protected volatile InputStream in;

  protected FilterInputStream(InputStream in) {
      this.in = in;
  }
}

BufferedInputStream重写了read()从而实现对引用的InputStream增强。有兴趣可以读读相关源码。

模式在开源项目中的应用

mybatic中org.apache.ibatis.session.Configuration#newExecutor有这样一段代码

public Executor newExecutor(Transaction transaction, ExecutorType executorType) {
  executorType = executorType == null ? defaultExecutorType : executorType;
  executorType = executorType == null ? ExecutorType.SIMPLE : executorType;
  Executor executor;
  if (ExecutorType.BATCH == executorType) {
    executor = new BatchExecutor(this, transaction);
  } else if (ExecutorType.REUSE == executorType) {
    executor = new ReuseExecutor(this, transaction);
  } else {
    executor = new SimpleExecutor(this, transaction);
  }
  if (cacheEnabled) {
    executor = new CachingExecutor(executor);
  }
  executor = (Executor) interceptorChain.pluginAll(executor);
  return executor;
}

上面的代码可以看到，如果开启了二级缓存则装饰原先的Executor，其实org.apache.ibatis.executor.CachingExecutor就是一个装饰器

public class CachingExecutor implements Executor {

  private final Executor delegate;
  private final TransactionalCacheManager tcm = new TransactionalCacheManager();

  public CachingExecutor(Executor delegate) {
    this.delegate = delegate;
    delegate.setExecutorWrapper(this);
  }
}

模式总结

装饰模式降低了系统的耦合度，可以动态增强对象的功能。

主要优点

(1) 对于扩展一个对象的功能，装饰模式比继承更加灵活性，不会导致类的个数急剧增加。

(2) 可以对一个对象进行多次装饰，通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合，可以创造出很多不同行为的组合，得到功能更为强大的对象。

(3) 具体构件类与具体装饰类可以独立变化，用户可以根据需要增加新的具体构件类和具体装饰类，原有类库代码无须改变，符合“开闭原则”。

适用场景

(1) 在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责。

(2) 当不能采用继承的方式对系统进行扩展或者采用继承不利于系统扩展和维护时可以使用装饰模式。不能采用继承的情况主要有两类：第一类是系统中存在大量独立的扩展，为支持每一种扩展或者扩展之间的组合将产生大量的子类，使得子类数目呈爆炸性增长；第二类是因为类已定义为不能被继承（如Java语言中的final类）。

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