04.Decorator模式

Decorator模式，也叫装饰器模式，是为了解决子类数量爆炸的一种设计模式，也叫Fileter模式。

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使用装饰器模式之前

Java的IO标准库提供的InputStream​根据来源可以包括：

• FileInputStream​：从文件读取数据，是最终数据源；
• ServletInputStream​：从HTTP请求读取数据，是最终数据源；
• Socket.getInputStream()​：从TCP连接读取数据，是最终数据源；
• ...

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如果我们想给这些类添加一些功能，如果使用继承是这样做的：

• 如果我们要给FileInputStream​添加缓冲功能，则可以从FileInputStream​派生一个类：BufferedFileInputStream extends FileInputStream​
• 如果要给FileInputStream​添加计算签名的功能，也可以从FileInputStream​派生一个类：DigestFileInputStream extendsFileInputStream​
• 如果要给FileInputStream​添加加密/解密功能，还是可以从FileInputStream​派生一个类：CipherFileInputStream extends FileInputStream​

这还只是添加了一个功能的情况，如果我们要给FileInputStream​添加两个功能，还要再派生几个类；添加3个功能，还要派生类。这3种功能的组合，又需要更多的子类：

                          ┌─────────────────┐
                          │ FileInputStream │
                          └─────────────────┘
                                   ▲
             ┌───────────┬─────────┼─────────┬───────────┐
             │           │         │         │           │
┌───────────────────────┐│┌─────────────────┐│┌─────────────────────┐
│BufferedFileInputStream│││DigestInputStream│││CipherFileInputStream│
└───────────────────────┘│└─────────────────┘│└─────────────────────┘
                         │                   │
    ┌─────────────────────────────┐ ┌─────────────────────────────┐
    │BufferedDigestFileInputStream│ │BufferedCipherFileInputStream│
    └─────────────────────────────┘ └─────────────────────────────┘

这还只是针对FileInputStream​设计，如果针对另一种InputStream​设计，很快会出现子类爆炸的情况。

因此，直接使用继承，为各种InputStream​附加更多的功能，根本无法控制代码的复杂度，很快就会失控。

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装饰器模式

为了解决子类数量失控的问题，JDK使用了一种设计模式：装饰器模式。如果不知道这个设计模式的读者可参考下这牌博客：漫画设计模式：什么是 “装饰器模式” ？ (opens new window)

关键在于，如果我们想要给一个类加一些功能，不一定要使用继承，也可以用组合的方式：例如我想给InputStream​加个功能，我可以定义一个类A，里面有个成员变量InputStream​，然后我在这个类里加上功能相关的代码！这样就不用派生类，也可以实现这个效果。因为所有输入流都是继承自InputStream​的，所以类A也可以继承自InputStream​，这样它就可以被当成一个输入流。

如果想给类A加个功能，一样的道理，定义一个类B，里面有个成员变量类InputStream（因为都是继承自InputStream​，所以可以用InputStream​来接受变量），然后类B里面加上功能代码。

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举个贴近生活的例子：

上班族大多都有睡懒觉的习惯，每天早上上班时间都很紧张，于是很多人为了多睡一会，就会用方便的方式解决早餐问题。有些人早餐可能会吃煎饼，煎饼中可以加鸡蛋，也可以加香肠，但是不管怎么“加码”，都还是一个煎饼。在现实生活中，常常需要对现有产品增加新的功能或美化其外观，如房子装修、相片加相框等，都是装饰器模式。

在软件开发过程中，有时想用一些现存的组件。这些组件可能只是完成了一些核心功能。但在不改变其结构的情况下，可以动态地扩展其功能。所有这些都可以釆用装饰器模式来实现。

--24 设计模式——装饰器模式（装饰设计模式）详解 - 知乎 (opens new window)

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以JDK为例，JDK是这样设计的：

首先将InputStream​分为两大类：

一类是直接提供数据的基础InputStream​，例如：

• FileInputStream
• ByteArrayInputStream
• ServletInputStream
• ...

一类是提供额外附加功能的InputStream​，例如：

• BufferedInputStream
• DigestInputStream
• CipherInputStream
• ...

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当我们需要给一个“基础”InputStream​附加各种功能时，我们先确定这个能提供数据源的InputStream​，因为我们需要的数据总得来自某个地方，例如，FileInputStream​，数据来源自文件：

InputStream file = new FileInputStream("test.gz");

紧接着，我们希望FileInputStream​能提供缓冲的功能来提高读取的效率，因此我们用BufferedInputStream​包装这个InputStream​，得到的包装类型是BufferedInputStream​，但它仍然被视为一个InputStream​：

InputStream buffered = new BufferedInputStream(file);

最后，假设该文件已经用gzip压缩了，我们希望直接读取解压缩的内容，就可以再包装一个GZIPInputStream​：

InputStream gzip = new GZIPInputStream(buffered);

无论我们包装多少次，得到的对象始终是InputStream​，我们直接用InputStream​来引用它，就可以正常读取：

┌─────────────────────────┐
│GZIPInputStream          │
│┌───────────────────────┐│
││BufferedFileInputStream││
││┌─────────────────────┐││
│││   FileInputStream   │││
││└─────────────────────┘││
│└───────────────────────┘│
└─────────────────────────┘

上述这种通过一个“基础”组件再叠加各种“附加”功能组件的模式，称之为Filter模式（或者装饰器模式：Decorator）。它可以让我们通过少量的类来实现各种功能的组合：

                 ┌─────────────┐
                 │ InputStream │
                 └─────────────┘
                       ▲ ▲
┌────────────────────┐ │ │ ┌─────────────────┐
│  FileInputStream   │─┤ └─│FilterInputStream│
└────────────────────┘ │   └─────────────────┘
┌────────────────────┐ │     ▲ ┌───────────────────┐
│ByteArrayInputStream│─┤     ├─│BufferedInputStream│
└────────────────────┘ │     │ └───────────────────┘
┌────────────────────┐ │     │ ┌───────────────────┐
│ ServletInputStream │─┘     ├─│  DataInputStream  │
└────────────────────┘       │ └───────────────────┘
                             │ ┌───────────────────┐
                             └─│CheckedInputStream │
                               └───────────────────┘

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类似的，OutputStream​也是以这种模式来提供各种功能。

注意到在叠加多个FilterInputStream​​，我们只需要持有最外层的InputStream​​，并且，当最外层的InputStream​​关闭时（在try(resource)​​块的结束处自动关闭），内层的InputStream​​的close()​​方法也会被自动调用，并最终调用到最核心的“基础”InputStream​​，因此不存在资源泄露。

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小结

Decorator模式可以在运行期动态增加功能，Java的IO标准库使用装饰器模式为InputStream​和OutputStream​增加功能：

• 可以把一个InputStream​​和任意个FilterInputStream​​组合；
• 可以把一个OutputStream​​和任意个FilterOutputStream​​组合。
• 当最外层的InputStream​关闭时，内层的InputStream​也会被关闭，不用担心资源泄漏的问题。

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