装饰模式

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stormjie 9月 20, 2018
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一、装饰模式概述

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。

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。

装饰模式定义如下:

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。

装饰模式的类图如下:

在装饰模式中的角色有:

  • 抽象构件(Component)角色: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。
  • 具体构件(ConcreteComponent)角色: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)。
  • 装饰(Decorator)角色: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。
  • 具体装饰(ConcreteDecorator)角色: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。

举例代码如下:

//抽象构件
public interface Component {

    public void sampleOperation();

}
//具体构件
public class ConcreteComponent implements Component {

    @Override
    public void sampleOperation() {
        // 写相关的业务代码
    }

}
//装饰角色
public class Decorator implements Component {
    //持有抽象构件对象的引用
    private Component component;

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

    @Override
    public void sampleOperation() {
        //要注意的是在Decorator中并未真正实现sampleOperation()方法,而只是调用原有component对象的sampleOperation()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。
        component.sampleOperation();
    }

}
//具体装饰角色
public class ConcreteDecoratorA extends Decorator {

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

    @Override
    public void sampleOperation() {
     super.sampleOperation();
        // 写相关的业务代码
    }
}

public class ConcreteDecoratorB extends Decorator {

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

    @Override
    public void sampleOperation() {
      super.sampleOperation();
        // 写相关的业务代码
    }
}
//测试类
public class DecoratorTest { 

    public static void main(String[] args) { 

        Component component = new ConcreteComponent();//原来的对象 
        component.sampleOperation();//原来的方法 

        ConcreteDecoratorA concreteDecoratorA = new ConcreteDecoratorA(component);//装饰成A 
        concreteDecoratorA.sampleOperation();//A的方法 

        ConcreteDecoratorB concreteDecoratorB = new ConcreteDecoratorB(component);//装饰成B 
        concreteDecoratorB.sampleOperation();//B的方法

    }
}

二、装饰模式的简化

大多数情况下,装饰模式的实现都要比上面给出的示意性例子要简单。

如果只有一个ConcreteComponent类,那么可以考虑去掉抽象的Component类(接口),把Decorator作为一个ConcreteComponent子类。如下图所示:

如果只有一个ConcreteDecorator类,那么就没有必要建立一个单独的Decorator类,而可以把Decorator和ConcreteDecorator的责任合并成一个类。甚至在只有两个ConcreteDecorator类的情况下,都可以这样做。如下图所示:

三、在JAVA IO库中的应用

装饰模式在Java语言中的最著名的应用莫过于Java IO标准库的设计了。

由于Java IO库需要很多性能的各种组合,如果这些性能都是用继承的方法实现的,那么每一种组合都需要一个类,这样就会造成大量性能重复的类出现。而如果采用装饰模式,那么类的数目就会大大减少,性能的重复也可以减至最少。因此装饰模式是Java IO库的基本模式。

Java IO库的对象结构图如下,由于Java IO的对象众多,因此只画出InputStream的部分。

根据上图可以看出:

  • 抽象构件(Component)角色:由InputStream扮演。这是一个抽象类,为各种子类型提供统一的接口。
  • 具体构件(ConcreteComponent)角色:由ByteArrayInputStream、FileInputStream、PipedInputStream、StringBufferInputStream等类扮演。它们实现了抽象构件角色所规定的接口。
  • 抽象装饰(Decorator)角色:由FilterInputStream扮演。它实现了InputStream所规定的接口。
  • 具体装饰(ConcreteDecorator)角色:由几个类扮演,分别是BufferedInputStream、DataInputStream以及两个不常用到的类LineNumberInputStream、PushbackInputStream。

四、装饰模式总结

装饰模式降低了系统的耦合度,可以动态增加或删除对象的职责,并使得需要装饰的具体构件类和具体装饰类可以独立变化,以便增加新的具体构件类和具体装饰类。在软件开发中,装饰模式应用较为广泛,例如在Java IO中的输入流和输出流的设计、javax.swing包中一些图形界面构件功能的增强等地方都运用了装饰模式。

1.主要优点

装饰模式的主要优点如下:

(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) 可以通过一种动态的方式来扩展一个对象的功能,通过配置文件可以在运行时选择不同的具体装饰类,从而实现不同的行为。

(3) 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。

(4) 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”。

2.主要缺点

装饰模式的主要缺点如下:

(1) 使用装饰模式进行系统设计时将产生很多小对象,这些对象的区别在于它们之间相互连接的方式有所不同,而不是它们的类或者属性值有所不同,大量小对象的产生势必会占用更多的系统资源,在一定程序上影响程序的性能。

(2) 装饰模式提供了一种比继承更加灵活机动的解决方案,但同时也意味着比继承更加易于出错,排错也很困难,对于多次装饰的对象,调试时寻找错误可能需要逐级排查,较为繁琐。

3.适用场景

在以下情况下可以考虑使用装饰模式:

(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中的final类)。

参考资料:《设计模式的艺术软件开发人员内功修炼之道》