Java 设计模式之装饰者模式

一、了解装饰者模式

1.1 什么是装饰者模式

装饰者模式指的是在不必改变原类文件和使用继承的情况下，动态地扩展一个对象的功能。它是通过创建一个包装对象，也就是装饰者来包裹真实的对象。

所以装饰者可以动态地将责任附加到对象上。若要扩展功能，装饰者提供了比继承更有弹性的方案。

1.2 装饰者模式组成结构

• 抽象构件 (Component)：给出抽象接口或抽象类，以规范准备接收附加功能的对象。
• 具体构件 (ConcreteComponent)：定义将要接收附加功能的类。
• 抽象装饰 (Decorator)：装饰者共同要实现的接口，也可以是抽象类。
• 具体装饰 (ConcreteDecorator)：持有一个 Component 对象，负责给构件对象“贴上”附加的功能。

1.3 装饰者模式 UML 图解

1.4 装饰者模式应用场景

• 需要扩展一个类的功能，或给一个类添加附加职责。
• 需要动态的给一个对象添加功能，这些功能可以再动态的撤销。
• 需要增加由一些基本功能的排列组合而产生的非常大量的功能，从而使继承关系变的不现实。
• 当不能采用生成子类的方法进行扩充时。可能有大量独立的扩展，为支持每一种组合将产生大量的子类，使得子类数目呈爆炸性增长。

1.5 装饰者模式特点

• 装饰者对象和具体构件有相同的接口。这样客户端对象就能以和真实对象相同的方式和装饰对象交互。
• 装饰者对象包含一个具体构件的引用（reference）。
• 装饰者对象接受所有来自客户端的请求。它把这些请求转发给具体构件。
• 装饰者对象可以在转发这些请求以前或以后动态增加一些功能。

二、装饰者模式具体应用

2.1 问题描述

星巴兹咖啡订单系统：星巴兹店提供了各式各样的咖啡，以及各种咖啡调料。为了适应饮料需求供应，所以让你设计一个更新订单系统。

2.2 使用继承

在购买咖啡时，可以要求在咖啡中添加各种调料，例如：豆浆 (Soy)、摩卡 (Mocha)、奶泡等。由于各种调料的价格不相同，所以订单系统必须要考虑这些因素。于是就有了下面的尝试

2.3 继承类图

这还只是列出了一部分的类，这简直是类爆炸，可以看出这样做显然是不行的。所以我们要慎用继承，尽量用组合和委托。

2.4 装饰者模式登场

装饰者模式涉及到的一个重要的设计原则 (当然还涉及到了其他的设计原则，比如多用组合，少用继承等)：类应该对扩展开放，对修改关闭。

在设计过程中，我们允许类容易扩展，在不修改原有代码的情况下，就可以扩展新的行为。这样的设计具有弹性可以应对改变，可以接受新的功能来应对新的需求。

将装饰者模式应用到问题中去：假如我们想要摩卡和豆浆深焙咖啡，那么，要做的是：

1. 拿一个深焙咖啡 (DarkRoast) 对象
2. 以摩卡 (Mocha) 装饰它
3. 以豆浆 (Soy) 装饰它
4. 调用 cost() 方法，并依赖委托将调料的价钱加上去

（1） 装饰者模式设计图

（2）代码实现

饮料 Beverage 抽象类 (抽象构件)

package com.jas.decorator;

public abstract class Beverage {
    String description = "Unknown Beverage";

    public String getDescription() {
        return description;
    }
    
    public abstract double cost();
}

浓咖啡 Espresso 类 (具体构件)

package com.jas.decorator;

public class Espresso extends Beverage {
    public Espresso(){
        description = "Espresso ";
    }
    
    @Override
    public double cost() {
        return 1.99;
    }
}

黑咖啡 HouseBlend 类 (具体构件)

package com.jas.decorator;

public class HouseBlend extends Beverage {
    public HouseBlend(){
        description = "House Blend Coffee ";
    }
    
    @Override
    public double cost() {
        return 0.80;
    }
}

调料 CondimentDecorator 抽象类 (抽象装饰构件)

package com.jas.decorator;

public abstract class CondimentDecorator extends Beverage{
    @Override
    public abstract String getDescription();
}

摩卡 Mocha 类 (具体装饰构件)

package com.jas.decorator;

public class Mocha extends CondimentDecorator {
    private Beverage beverage = null;    //用一个实例变量来记录饮料，也就是被装饰者
    
    public Mocha(Beverage beverage){
        this.beverage = beverage;    //通过构造函数将被装饰者实例化
    }
    
    @Override
    public String getDescription() {
        return beverage.getDescription() + ", Mocha ";    //用来加上调料，一起描述饮料
    }

    @Override
    public double cost() {
        return 0.2 + beverage.cost();    //计算摩卡饮料的价钱，为摩卡价钱 + 饮料价钱
    }
}

豆浆 Soy 类 (具体装饰构件)

package com.jas.decorator;

public class Soy extends CondimentDecorator {
    private Beverage beverage = null;
    
    public Soy(Beverage beverage){
        this.beverage = beverage;
    }
    
    @Override
    public String getDescription() {
        return beverage.getDescription() + ", Soy ";
    }

    @Override
    public double cost() {
        return 0.1 + beverage.cost();
    }
}

测试代码 StarbuzzCoffee 类

package com.jas.decorator;

public class StarbuzzCoffee {
    public static void main(String[] args) {
        
        //简单要一杯浓咖啡
        Beverage beverage1 = new Espresso();
        System.out.println(beverage1.getDescription() + "$" +  beverage1.cost());
        
        //两份摩卡加一份豆浆的浓咖啡
        Beverage beverage2 = new Espresso();
        beverage2 = new Mocha(beverage2);
        beverage2 = new Mocha(beverage2);
        beverage2 = new Soy(beverage2);
        System.out.println(beverage2.getDescription() + "$" + beverage2.cost());
        
        //一份摩卡加一份豆浆的黑咖啡
        Beverage beverage3 = new HouseBlend();
        beverage3 = new Mocha(beverage3);
        beverage3 = new Soy(beverage3);
        System.out.println(beverage3.getDescription() + "$" +  beverage3.cost());
    }
}

    /**
     * 输出
     * Espresso $1.99
     * Espresso , Mocha , Mocha , Soy $2.49
     * House Blend Coffee , Mocha , Soy $1.1
     */

2.5 装饰者模式问题总结

• 装饰者与被装饰对象有相同的超类型 (DarkRoast 与装饰类 Mocha 和 Soy 都继承自 Beverage(饮料))。
• 可以使用一个或多个装饰对象包装一个对象。
• 因为装饰者与被装饰者具有相同的超类型，所以在任何需要原始对象的情况下，都可以用装饰过的对象去代替它。
• 装饰者可以在所委托被装饰者的行为之前与之后，加上自己的行为，以达到特定的目的。
• 对象可以在任何时候被装饰，所以在运行时动态地、不限量地用你喜欢的装饰者去装饰对象。

三、真实世界的装饰者 Java I/O

3.1 了解 Java I/O 装饰者模式

在了解了装饰者模式之后，I/O 相关的类对你来说就更有意义了，因为这其中很多类都是装饰者。比如下面相关的类

装饰 I/O 类

3.2 自定义 Java I/O 装饰者

问题描述：读取文件，把输入流内的所有大写字符转为小写。

装饰者 LowerCaseInputStream 类

package com.jas.decorator;

import java.io.FilterInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

/**
 * 扩展 FilterInputStream，这是所有 InputStream 的抽象装饰者
 */
public class LowerCaseInputStream extends FilterInputStream {
    
    public LowerCaseInputStream(InputStream inputStream){
        super(inputStream);
    }
    
    @Override
    public int read() throws IOException{
        int c = super.read();
        return (c == -1 ? c : Character.toLowerCase((char)c));
    }
    
    @Override
    public int read(byte[] bytes, int offset, int len) throws IOException{
        int result = super.read(bytes, offset, len);
        for (int i = offset; i < offset + result; i++) {
            bytes[i] = (byte) Character.toLowerCase((char)bytes[i]);
        }
        return result;
    }
}

测试 InputTest 类

package com.jas.decorator;

import java.io.*;

public class InputTest {
    public static void main(String[] args) {
        
        int c = 0;
        InputStream in = null;

        try {
            //设置 FileInputStream ,先用 BufferedInputStream 装饰它，再用 LowerCaseInputStream 进行装饰
            in = new LowerCaseInputStream(
                    new BufferedInputStream(
                            new FileInputStream("test.txt")));
            while ((c = in.read()) >= 0){
                System.out.print((char)c);
            }
            in.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

     /**在文件中为“HELLO WORLD”
     *
     * 输出
     * hello world
     */

四、装饰者模式总结

4.1 装饰者模式的优缺点

优点

1. Decorator 模式与继承关系的目的都是要扩展对象的功能，但是 Decorator 可以提供比继承更多的灵活性。
2. 通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合，设计者可以创造出很多不同行为的组合。

缺点

1. 这种比继承更加灵活机动的特性，也同时意味着更加多的复杂性。
2. 装饰模式会导致设计中出现许多小类 (I/O 类中就是这样)，如果过度使用，会使程序变得很复杂。
3. 装饰模式是针对抽象组件（Component）类型编程。但是，如果你要针对具体组件编程时，就应该重新思考你的应用架构，以及装饰者是否合适。

参考资料

《Head First 设计模式》