50设计模式与范式之结构型-装饰器模式：通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式

发表于 分类于

上一节课我们学习了桥接模式，桥接模式有两种理解方式。第一种理解方式是“将抽象和实现解耦，让它们能独立开发”。这种理解方式比较特别，应用场景也不多。另一种理解方式更加简单，类似“组合优于继承”设计原则，这种理解方式更加通用，应用场景比较多。不管是哪种理解方式，它们的代码结构都是相同的，都是一种类之间的组合关系。

今天，我们通过剖析Java IO类的设计思想，再学习一种新的结构型模式，装饰器模式。它的代码结构跟桥接模式非常相似，不过，要解决的问题却大不相同。

话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！

Java IO类的“奇怪”用法

Java IO类库非常庞大和复杂，有几十个类，负责IO数据的读取和写入。如果对Java IO类做一下分类，我们可以从下面两个维度将它划分为四类。具体如下所示：

img

针对不同的读取和写入场景，Java IO又在这四个父类基础之上，扩展出了很多子类。具体如下所示：

img

在我初学Java的时候，曾经对Java IO的一些用法产生过很大疑惑，比如下面这样一段代码。我们打开文件test.txt，从中读取数据。其中，InputStream是一个抽象类，FileInputStream是专门用来读取文件流的子类。BufferedInputStream是一个支持带缓存功能的数据读取类，可以提高数据读取的效率。

1
2
3
4
5
6
InputStream in = new FileInputStream("/user/wangzheng/test.txt");
InputStream bin = new BufferedInputStream(in);
byte[] data = new byte[128];
while (bin.read(data) != -1) {
  //...
}

初看上面的代码，我们会觉得Java IO的用法比较麻烦，需要先创建一个FileInputStream对象，然后再传递给BufferedInputStream对象来使用。我在想，Java IO为什么不设计一个继承FileInputStream并且支持缓存的BufferedFileInputStream类呢？这样我们就可以像下面的代码中这样，直接创建一个BufferedFileInputStream类对象，打开文件读取数据，用起来岂不是更加简单？

1
2
3
4
5
InputStream bin = new BufferedFileInputStream("/user/wangzheng/test.txt");
byte[] data = new byte[128];
while (bin.read(data) != -1) {
  //...
}

基于继承的设计方案

如果InputStream只有一个子类FileInputStream的话，那我们在FileInputStream基础之上，再设计一个孙子类BufferedFileInputStream，也算是可以接受的，毕竟继承结构还算简单。但实际上，继承InputStream的子类有很多。我们需要给每一个InputStream的子类，再继续派生支持缓存读取的子类。

除了支持缓存读取之外，如果我们还需要对功能进行其他方面的增强，比如下面的DataInputStream类，支持按照基本数据类型（int、boolean、long等）来读取数据。

1
2
3
FileInputStream in = new FileInputStream("/user/wangzheng/test.txt");
DataInputStream din = new DataInputStream(in);
int data = din.readInt();

在这种情况下，如果我们继续按照继承的方式来实现的话，就需要再继续派生出DataFileInputStream、DataPipedInputStream等类。如果我们还需要既支持缓存、又支持按照基本类型读取数据的类，那就要再继续派生出BufferedDataFileInputStream、BufferedDataPipedInputStream等n多类。这还只是附加了两个增强功能，如果我们需要附加更多的增强功能，那就会导致组合爆炸，类继承结构变得无比复杂，代码既不好扩展，也不好维护。这也是我们在第10节中讲的不推荐使用继承的原因。

基于装饰器模式的设计方案

在第10节中，我们还讲到“组合优于继承”，可以“使用组合来替代继承”。针对刚刚的继承结构过于复杂的问题，我们可以通过将继承关系改为组合关系来解决。下面的代码展示了Java IO的这种设计思路。不过，我对代码做了简化，只抽象出了必要的代码结构，如果你感兴趣的话，可以直接去查看JDK源码。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
public abstract class InputStream {
  //...
  public int read(byte b[]) throws IOException {
    return read(b, 0, b.length);
  }
  
  public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    //...
  }
  
  public long skip(long n) throws IOException {
    //...
  }

  public int available() throws IOException {
    return 0;
  }
  
  public void close() throws IOException {}

  public synchronized void mark(int readlimit) {}
    
  public synchronized void reset() throws IOException {
    throw new IOException("mark/reset not supported");
  }

  public boolean markSupported() {
    return false;
  }
}

public class BufferedInputStream extends InputStream {
  protected volatile InputStream in;

  protected BufferedInputStream(InputStream in) {
    this.in = in;
  }
  
  //...实现基于缓存的读数据接口...  
}

public class DataInputStream extends InputStream {
  protected volatile InputStream in;

  protected DataInputStream(InputStream in) {
    this.in = in;
  }
  
  //...实现读取基本类型数据的接口
}

看了上面的代码，你可能会问，那装饰器模式就是简单的“用组合替代继承”吗？当然不是。从Java IO的设计来看，装饰器模式相对于简单的组合关系，还有两个比较特殊的地方。

第一个比较特殊的地方是：装饰器类和原始类继承同样的父类，这样我们可以对原始类“嵌套”多个装饰器类。比如，下面这样一段代码，我们对FileInputStream嵌套了两个装饰器类：BufferedInputStream和DataInputStream，让它既支持缓存读取，又支持按照基本数据类型来读取数据。

1
2
3
4
InputStream in = new FileInputStream("/user/wangzheng/test.txt");
InputStream bin = new BufferedInputStream(in);
DataInputStream din = new DataInputStream(bin);
int data = din.readInt();

第二个比较特殊的地方是：装饰器类是对功能的增强，这也是装饰器模式应用场景的一个重要特点。实际上，符合“组合关系”这种代码结构的设计模式有很多，比如之前讲过的代理模式、桥接模式，还有现在的装饰器模式。尽管它们的代码结构很相似，但是每种设计模式的意图是不同的。就拿比较相似的代理模式和装饰器模式来说吧，代理模式中，代理类附加的是跟原始类无关的功能，而在装饰器模式中，装饰器类附加的是跟原始类相关的增强功能。 

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
// 代理模式的代码结构(下面的接口也可以替换成抽象类)
public interface IA {
  void f();
}
public class A impelements IA {
  public void f() { //... }
}
public class AProxy implements IA {
  private IA a;
  public AProxy(IA a) {
    this.a = a;
  }
  
  public void f() {
    // 新添加的代理逻辑
    a.f();
    // 新添加的代理逻辑
  }
}

// 装饰器模式的代码结构(下面的接口也可以替换成抽象类)
public interface IA {
  void f();
}
public class A implements IA {
  public void f() { //... }
}
public class ADecorator implements IA {
  private IA a;
  public ADecorator(IA a) {
    this.a = a;
  }
  
  public void f() {
    // 功能增强代码
    a.f();
    // 功能增强代码
  }
}

实际上，如果去查看JDK的源码，你会发现，BufferedInputStream、DataInputStream并非继承自InputStream，而是另外一个叫FilterInputStream的类。那这又是出于什么样的设计意图，才引入这样一个类呢？

我们再重新来看一下BufferedInputStream类的代码。InputStream是一个抽象类而非接口，而且它的大部分函数（比如read()、available()）都有默认实现，按理来说，我们只需要在BufferedInputStream类中重新实现那些需要增加缓存功能的函数就可以了，其他函数继承InputStream的默认实现。但实际上，这样做是行不通的。

对于即便是不需要增加缓存功能的函数来说，BufferedInputStream还是必须把它重新实现一遍，简单包裹对InputStream对象的函数调用。具体的代码示例如下所示。如果不重新实现，那BufferedInputStream类就无法将最终读取数据的任务，委托给传递进来的InputStream对象来完成。这一部分稍微有点不好理解，你自己多思考一下。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
public class BufferedInputStream extends InputStream {
  protected volatile InputStream in;

  protected BufferedInputStream(InputStream in) {
    this.in = in;
  }
  
  // f()函数不需要增强，只是重新调用一下InputStream in对象的f()
  public void f() {
    in.f();
  }  
}

实际上，DataInputStream也存在跟BufferedInputStream同样的问题。为了避免代码重复，Java IO抽象出了一个装饰器父类FilterInputStream，代码实现如下所示。InputStream的所有的装饰器类（BufferedInputStream、DataInputStream）都继承自这个装饰器父类。这样，装饰器类只需要实现它需要增强的方法就可以了，其他方法继承装饰器父类的默认实现。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
public class FilterInputStream extends InputStream {
  protected volatile InputStream in;

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

  public int read() throws IOException {
    return in.read();
  }

  public int read(byte b[]) throws IOException {
    return read(b, 0, b.length);
  }
   
  public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    return in.read(b, off, len);
  }

  public long skip(long n) throws IOException {
    return in.skip(n);
  }

  public int available() throws IOException {
    return in.available();
  }

  public void close() throws IOException {
    in.close();
  }

  public synchronized void mark(int readlimit) {
    in.mark(readlimit);
  }

  public synchronized void reset() throws IOException {
    in.reset();
  }

  public boolean markSupported() {
    return in.markSupported();
  }
}

我的总结

这两个设计模式看起来很像。对装饰器模式来说，装饰者（decorator）和被装饰者（decoratee）都实现同一个 接口。对代理模式来说，代理类（proxy class）和真实处理的类（real class）都实现同一个接口。此外，不论我们使用哪一个模式，都可以很容易地在真实对象的方法前面或者后面加上自定义的方法。

然而，实际上，在装饰器模式和代理模式之间还是有很多差别的。装饰器模式关注于在一个对象上动态的添加方法，然而代理模式关注于控制对对象的访问。换句话说，用代理模式，代理类（proxy class）可以对它的客户隐藏一个对象的具体信息。因此，当使用代理模式的时候（原始类一般来自第三方的类库，对于这种外部类的扩展，我们一般都是采用继承的方式实现代理），我们常常在一个代理类中创建一个对象的实例；当使用装饰器模式的时候，我们通常的做法是将原始对象作为一个参数传给装饰器的构造器。

我们可以用另外一句话来总结这些差别：使用代理模式，代理和真实对象之间的的关系通常在编译时就已经确定了，而装饰者能够在运行时递归地被构造。

装饰器模式和代理模式的使用场景不一样，比如IO流使用的是装饰者模式，可以层层增加功能。而代理模式则一般是用于增加特殊的功能，有些动态代理不支持多层嵌套。

代理和装饰其实从另一个角度更容易去理解两个模式的区别：代理更多的是强调对对象的访问控制，比如说，访问A对象的查询功能时，访问B对象的更新功能时，访问C对象的删除功能时，都需要判断对象是否登陆，那么我需要将判断用户是否登陆的功能抽提出来，并对A对象、B对象和C对象进行代理，使访问它们时都需要去判断用户是否登陆，简单地说就是将某个控制访问权限应用到多个对象上；而装饰器更多的强调给对象加强功能，比如说要给只会唱歌的A对象添加跳舞功能，添加说唱功能等，简单地说就是将多个功能附加在一个对象上。

所以，代理模式注重的是对对象的某一功能的流程把控和辅助，它可以控制对象做某些事，重心是为了借用对象的功能完成某一流程，而非对象功能如何。而装饰模式注重的是对对象功能的扩展，不关心外界如何调用，只注重对对象功能加强，装饰后还是对象本身。

所以考虑这两种设计模式的时候，要分清楚你自己的开发者角色：

如果是别人 A 已经给你一个类，你需要做好增强给第三方 C 使用增强的类，且 C 不可以直接使用未增强的类对象，那么你这个开发者应该使用代理模式，把你可以获得的类对象封装到自己的代理类；

如果你希望把何时增强功能的这个决策权交给 C，即 C 既可以使用增强的类对象，也可以使用不增强的对象，决定权在于 C，那么这个时候你应该使用装饰器模式。

重点回顾

好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。

装饰器模式主要解决继承关系过于复杂的问题，通过组合来替代继承。它主要的作用是给原始类添加增强功能。这也是判断是否该用装饰器模式的一个重要的依据。除此之外，装饰器模式还有一个特点，那就是可以对原始类嵌套使用多个装饰器。为了满足这个应用场景，在设计的时候，装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或者接口。

课堂讨论

在上节课中，我们讲到，可以通过代理模式给接口添加缓存功能。在这节课中，我们又通过装饰者模式给InputStream添加缓存读取数据功能。那对于“添加缓存”这个应用场景来说，我们到底是该用代理模式还是装饰器模式呢？你怎么看待这个问题？

欢迎留言和我分享你的思考，如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。