推荐语:本文从装饰者模式的核心思想到与其他设计模式的横向对比,从代码示例到业务实战,向读者娓娓呈现装饰者模式的真貌。深入浅出的JDK源码透析,使用场景的利弊权衡,真的值得一阅!
第一篇:浅析设计模式1——工厂模式
第二篇:浅析设计模式2——策略模式
概述
基本概念
▐结构0
装饰者模式包含四种类,分别是抽象构件类、具体构件类、抽象装饰者类、具体装饰者类,它们各自负责完成特定任务,并且相互之间存在紧密联系。
角色 | 关系 | 作用 |
抽象构件
Component |
具体构件和抽象装饰者的父类 | 定义一个抽象接口,规范目标对象 |
具体构件
ConcreteComponent |
抽象构件的接口实现类 | 定义一个目标对象,也就是将要接收附加功能的类 |
抽象装饰者
Decorator |
继承或实现抽象构件,持有一个抽象构件类的引用实例 | 定义一个与抽象构件接口一致的接口,以便具体装饰者添加功能 |
具体装饰者
ConcreteDecorator |
实现抽象装饰者的方法 | 为具体构件(目标对象)添加附加功能(方法) |
▐使用
有了上述的基本概念,我们将装饰者模式的使用步骤概括为:
- step1:创建抽象构件类,定义目标对象的抽象类、将要扩展的功能定义成抽象方法;
- step2:创建具体构件类,定义目标对象的实现类,实现抽象构件中声明的抽象方法;
- step3:创建抽象装饰者类,维护一个指向抽象构件的引用,并传入构造函数以调用具体构件的实现方法,给具体构件增加功能;
- step4:创建具体装饰者类,可以调用抽象装饰者类中定义的方法,并定义若干个新的方法,扩展目标对象的功能。
使用示例
我们在淘宝上购物时,经常会遇到很多平台和商家的优惠活动:满减、聚划算站内的百亿补贴券、店铺折扣等等。那么在商品自身原价的基础上,叠加了多种优惠活动后,后台应该怎样计算最终的下单结算金额呢?下面就以这种优惠叠加结算的场景为例,简单分析装饰者模式如何使用。
▐代码实现
// 定义抽象构件:抽象商品 public interface ItemComponent { // 商品价格 public double checkoutPrice(); } // 定义具体构件:具体商品 public class ConcreteItemCompoment implements ItemComponent { // 原价 @Override public double checkoutPrice() { return 200.0; } } // 定义抽象装饰者:创建传参(抽象构件)构造方法,以便给具体构件增加功能 public abstract class ItemAbsatractDecorator implements ItemComponent { protected ItemComponent itemComponent; public ItemAbsatractDecorator(ItemComponent myItem) { this.itemComponent = myItem; } @Overrid public double checkoutPrice() { return this.itemComponent.checkoutPrice(); } } // 定义具体装饰者A:增加店铺折扣八折 public class ShopDiscountDecorator extends ItemAbsatractDecorator { public ShopDiscountDecorator(ItemComponent myItem) { super(myItem); } @Override public double checkoutPrice() { return 0.8 * super.checkoutPrice(); } } // 定义具体装饰者B:增加满200减20功能,此处忽略判断逻辑 public class FullReductionDecorator extends ItemAbsatractDecorator { public FullReductionDecorator(ItemComponent myItem) { super(myItem); } @Override public double checkoutPrice() { return super.checkoutPrice() - 20; } } // 定义具体装饰者C:增加百亿补贴券50 public class BybtCouponDecorator extends ItemAbsatractDecorator { public BybtCouponDecorator(ItemComponent myItem) { super(myItem); } @Override public double checkoutPrice() { return super.checkoutPrice() - 50; } } //客户端调用 public class userPayForItem() { public static void main(String[] args) { ItemCompoment item = new ConcreteItemCompoment(); System.out.println("宝贝原价:" + item.checkoutPrice() + " 元"); item = new ShopDiscountDecorator(item); System.out.println("使用店铺折扣后需支付:" + item.checkoutPrice() + " 元"); item = new FullReductionDecorator(item); System.out.println("使用满200减20后需支付:" + item.checkoutPrice() + " 元"); item = new BybtCouponDecorator(item); System.out.println("使用百亿补贴券后需支付:" + item.checkoutPrice() + " 元"); } }
▐结果输出
宝贝原价:200.0 元 使用店铺折扣后需支付:160.0 元 使用满200减20后需支付:140.0 元 使用百亿补贴券后需支付:90.0 元
▐UML图
▐比较分析
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VS 继承
装饰者模式和继承关系都是要对目标类进行功能扩展,但装饰模式可以提供比继承更多的灵活性:继承是静态添加功能,在系统运行前就会确定下来;装饰者模式是动态添加、删除功能。
比如,一个对象需要具备 10 种功能,但客户端可能要求分阶段使用对象功能:在第一阶段只执行第 1-8 项功能,第二阶段执行第 3-10 项功能,这种场景下只需先定义好第 3-8 项功能方法。在程序运行的第一个阶段,使用具体装饰者 A 添加 1、2 功能;在第二个运行阶段,使用具体装饰者 B 添加 9、10 功能。而继承关系难以实现这种需求,它必须在编译期就定义好要使用的功能。
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VS 代理模式
装饰者模式常常被拿来和代理模式比较,两者都要实现目标类的相同接口、声明一个目标对象,并且都可以在不修改目标类的前提下进行方法扩展,整体设计思路非常相似。那么两者的区别是什么呢?
首先,装饰者模式的重点在于增强目标对象功能,而代理模式的重点在于保护和隐藏目标对象。其中,装饰者模式需要客户端明确知道目标类,才能对其功能进行增强;代理模式要求客户端对目标类进行透明访问,借助代理类来完成相关控制功能(如日志记录、缓存设置等),隐藏目标类的具体信息。可见,代理类与目标类的关系往往在编译时就确定下来,而装饰者类在运行时动态构造而成。
其次,两者获取目标类的方式不同。装饰者模式是将目标对象作为参数传给构造方法,而代理模式是通过在代理类中创建目标对象的一个实例。
最后,通过上述示例可发现,装饰者模式会使用一系列具体装饰者类来增强目标对象的功能,产生了一种连续、叠加的效应;而代理模式是在代理类中一次性为目标对象添加功能。
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VS 适配器模式
两者都属于包装式行为,即当一个类不能满足需求时,创建辅助类进行包装以满足变化的需求。但是装饰者模式的装饰者类和被装饰类都要实现相同接口,或者装饰类是被装饰类的子类;而适配器模式中,适配器和被适配的类可以有不同接口,并且可能会有部分接口重合。
JDK源码赏析
Java I/O标准库是装饰者模式在Java语言中非常经典的应用实例。
如下图所示,InputStream 相当于抽象构件,FilterInputStream 类似于抽象装饰者,它的四个子类等同于具体装饰者。其中,FilterInputStream 中含有被装饰类 InputStream 的引用,其具体装饰者及各自功能为:PushbackInputStream 能弹出一个字节的缓冲区,可将输入流放到回退流中;DataInputStream 与 DataOutputStream搭配使用,用来装饰其它输入流,允许应用程序以一种与机器无关的方式从底层输入流中读取基本 Java 数据类型;BufferedInputStream 使用缓冲数组提供缓冲输入流功能,在每次调用 read() 方法时优先从缓冲区读取数据,比直接从物理数据源读取数据的速度更快;LineNumberInputStream 提供输入流过滤功能,可以跟踪输入流中的行号(以回车符、换行符标记换行)。
FilterInputStream 是所有装饰器类的抽象类,提供特殊的输入流控制。下面源码省略了 skip、available、mark、reset、markSupported 方法,这些方法也都委托给了 InputStream 类。其中, InputStream 提供装饰器类的接口,因而此类并没有对 InputStream 的功能做任何扩展,其扩展主要交给其子类来实现。
public class FilterInputStream extends InputStream { //维护一个 InputStream 对象 protected volatile InputStream in; //构造方法参数需要一个 inputStream protected FilterInputStream(InputStream in) { this.in = in; } //委托给 InputStream public int read() throws IOException { return in.read(); } //委托给 InputStream public void close() throws IOException { in.close(); } ....... }
由于源码太长,这里先以 PushbackInputStream 为例,展示 FilterInputStream 的具体装饰者的底层实现,大家感兴趣的话可以自行查阅其它源码哦。PushbackInputStream 内部维护了一个 pushback buf 缓冲区,可以帮助我们试探性地读取数据流,对于不想要的数据也可以返还回去。
public class PushbackInputStream extends FilterInputStream { //缓冲区 protected byte[] buf; protected int pos; private void ensureOpen() throws IOException { if (in == null) throw new IOException("Stream closed"); } //构造函数可以指定返回的字节个数 public PushbackInputStream(InputStream in, int size) { super(in); if (size <= 0) { throw new IllegalArgumentException("size <= 0"); } //初始化缓冲区的大小 this.buf = new byte[size]; //设置读取的位置 this.pos = size; } //默认回退一个 public PushbackInputStream(InputStream in) { this(in, 1); } public int read() throws IOException { //确保流存在 ensureOpen(); //如果要读取的位置在缓冲区里面 if (pos < buf.length) { //返回缓冲区中的内容 return buf[pos++] & 0xff; } //否则调用超类的读函数 return super.read(); } //读取指定的长度 public int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException { ensureOpen(); if (b == null) { throw new NullPointerException(); } else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) { throw new IndexOutOfBoundsException(); } else if (len == 0) { return 0; } //缓冲区长度减去读取位置 int avail = buf.length - pos; //如果大于0,表明部分数据可以从缓冲区读取 if (avail > 0) { //如果要读取的长度小于可从缓冲区读取的字符 if (len < avail) { //修改可读取值为实际要读的长度 avail = len; } //将buf中的数据复制到b中 System.arraycopy(buf, pos, b, off, avail); //修改pos的值 pos += avail; //修改off偏移量的值 off += avail; //修改len的值 len -= avail; } //如果从缓冲区读取的数据不够 if (len > 0) { //从流中读取 len = super.read(b, off, len); if (len == -1) { return avail == 0 ? -1 : avail; } return avail + len; } return avail; } //不读字符b public void unread(int b) throws IOException { ensureOpen(); if (pos == 0) { throw new IOException("Push back buffer is full"); } //实际就是修改缓冲区中的值,同时pos后退 buf[--pos] = (byte)b; } public void unread(byte[] b, int off, int len) throws IOException { ensureOpen(); if (len > pos) { throw new IOException("Push back buffer is full"); } //修改缓冲区中的值,pos后退多个 pos -= len; System.arraycopy(b, off, buf, pos, len); } public void unread(byte[] b) throws IOException { unread(b, 0, b.length); } }
优缺点及适用场景
▐优点
- 提供比继承更加灵活的扩展功能,通过叠加不同的具体装饰者的方法,动态地增强目标类的功能。
- 装饰者和被装饰者可以独立发展,不会相互耦合,比如说我们想再加一个炒河粉只需创建一个炒河粉类继承FastFood即可,而想要增加火腿肠配料就增加一个类去继承 Garnish 抽象装饰者。
▐缺点
使用装饰模式,可以比使用继承关系创建更少的类,使设计比较易于进行。然而,多层装饰会产生比继承更多的对象,使查错更加困难,尤其是这些对象都很相似。而且,当目标类被多次动态装饰后,程序的复杂性也会大大提升,难以维护。
▐适用场景
- 继承关系不利于系统维护,甚至不能使用继承关系的场景。比如,当继承导致类爆炸时、目标类被 final 修饰时,都不宜通过创建目标类的子类来扩展功能。
- 要求不影响其他对象,为特定目标对象添加功能。
- 要求动态添加、撤销对象的功能。
总结
装饰者模式也是一种比较容易理解和上手的设计模式,它可以对多个装饰者类进行花式排列组合,适应多变的用户需求。同时,装饰者模式也是符合开闭原则的,被装饰的对象和装饰者类互相独立、互不干扰。
在介绍装饰者模式的适用场景时,我们可以发现上述场景在实际工程中也比较常见,因此装饰者模式同样应用广泛。除了本文提到的 Java I/O,装饰者模式的典型应用实例还有:Spring cache 中的 TransactionAwareCacheDecorator 类、 Spring session 中的 ServletRequestWrapper 类、Mybatis 缓存中的 decorators 包等等。
下篇预告:现在,我们已经学习了三种设计模式,涉及了创建型模式、行为型模式和结构型模式。而下一篇内容其实早在写装饰者模式之前就已经确定了主题 —— 模版方法模式,只不过为了承接第二篇文章最后的 “下篇内容预告” 环节,这段时间还是先行研究了结构型模式 (这次文章出的比较慢,但也算是在备战双 11 期间努力拼凑个人碎片时间完成了更新啦)。下期要分享的模版方法模式,是我在工作过程中实际开发的应用里,经常看到的一种设计模式,因此也是非常好奇:这种模式有什么优点和缺点呢?有没有与之相似的设计模式?又有哪些适用的场景?小伙伴们可以一起来学习讨论呀,我们下期再见哦!
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