【23种设计模式】装饰器模式

个人主页：金鳞踏雨

个人简介：大家好，我是金鳞，一个初出茅庐的Java小白

目前状况：22届普通本科毕业生，几经波折了，现在任职于一家国内大型知名日化公司，从事Java开发工作

我的博客：这里是CSDN，是我学习技术，总结知识的地方。希望和各位大佬交流，共同进步 ~

使用组合替代继承，对原生对象的方法做增强，增加新的行为和能力。

一、实现原理

装饰器设计模式（Decorator）是一种结构型设计模式，它允许动态地为对象添加新的行为。它通过创建一个包装器来实现，即将对象放入一个装饰器类中，再将装饰器类放入另一个装饰器类中，以此类推，形成一条包装链。

在不改变原有对象的情况下，动态地添加新的行为或修改原有行为。

代码实现

1、定义一个接口或抽象类，作为被装饰对象的基类。

public interface Component {
    void operation();
}

在这个示例中，我们定义了一个名为 Component 的接口，它包含一个名为 operation 的抽象方法，用于定义被装饰对象的基本行为。

2、定义一个具体的被装饰对象，实现基类中的方法。

public class ConcreteComponent implements Component {
    @Override
    public void operation() {
        System.out.println("ConcreteComponent is doing something...");
    }
}

在这个示例中，我们定义了一个名为 ConcreteComponent 的具体实现类，实现了 Component 接口中的 operation 方法。

3、定义一个抽象装饰器类，继承基类，并将被装饰对象作为属性。

public abstract class Decorator implements Component {

    // 装饰器设计模式 使用组合的形式进行装饰
    protected Component component;

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

    @Override
    public void operation() {
        component.operation();
    }
}

在这个示例中，我们定义了一个名为 Decorator 的抽象类，继承了 Component 接口，并将被装饰对象作为属性。在 operation 方法中，我们调用被装饰对象的同名方法。

4、定义具体的装饰器类，继承抽象装饰器类，并实现增强逻辑。

public class ConcreteDecoratorA extends Decorator {

    public ConcreteDecoratorA(Component component) {
        System.out.println("这是第一次包装...");
        super(component);
    }

    @Override
    public void operation() {
        super.operation();
        System.out.println("ConcreteDecoratorA is adding new behavior...");
    }
}

public class ConcreteDecoratorB extends Decorator {

    public ConcreteDecoratorB(Component component) {
        System.out.println("这是第二次包装...");
        super(component);
    }

    @Override
    public void operation() {
        super.operation();
        System.out.println("ConcreteDecoratorB is adding new behavior...");
    }
}

在这个示例中，我们定义了一个名为 ConcreteDecoratorA 的具体装饰器类，继承了 Decorator 抽象类，并实现了 operation 方法的增强逻辑。在 operation 方法中，我们先调用被装饰对象的同名方法，然后添加新的行为。

5、使用装饰器增强被装饰对象。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Component component = new ConcreteComponent();
        // 进行第一次包装
        component = new ConcreteDecoratorA(component);
        // 进行第二次包装
        component = new ConcreteDecoratorB(component);
        component.operation();
    }
}

在这个示例中，我们先创建了一个被装饰对象 ConcreteComponent，然后通过 ConcreteDecoratorA 类创建了一个装饰器，并将被装饰对象作为参数传入。最后，调用装饰器的 operation 方法，这样就可以实现对被装饰对象的增强。

装饰器设计模式，包装后可以继续包装...类似于套娃。一层一层，逐步增强！！！

装饰器与静态代理的区别

装饰器模式和静态代理模式最大的区别——目的不同！

代理模式的目的是为了控制对对象的访问，它在对象的外部提供一个代理对象来控制对原始对象的访问。代理对象和原始对象通常实现同一个接口或继承同一个类，以保证二者可以互相替代。

装饰器模式的目的是为了动态地增强对象的功能，它在对象的内部通过一种包装器的方式来实现。装饰器模式中，装饰器类和被装饰对象通常实现同一个接口或继承同一个类，以保证二者可以互相替代。装饰器模式也被称为包装器模式。

需要注意的是，装饰器模式虽然可以实现动态地为对象增加行为，但是会增加系统的复杂性，因此在使用时需要仔细权衡利弊。

二、使用场景

在 Java 中，装饰器模式的应用非常广泛，特别是在 I/O 操作中。Java 中的 I/O 类库就是使用装饰器模式来实现不同的数据流之间的转换和增强的。

1.从IO库的设计理解装饰器

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

InputStream in = new FileInputStream("D:/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。

为什么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？

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

（1）基于继承的设计方案（能实现，不靠谱）

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，这样子是完全可以的，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。

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。

（2）基于装饰器模式的设计方案

组合优于继承，建议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。

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
}

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！

1、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。

// 逐次增强！
InputStream in = new FileInputStream("/user/wangzheng/test.txt");
InputStream bin = new BufferedInputStream(in);
DataInputStream din = new DataInputStream(bin);
int data = din.readInt();

2、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，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！！！

例如，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。

// 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 impements 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 impelements IA {
    public void f() {
        // ...
    }
}
public class ADecorator impements 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
    }
}

BufferedInputStream为什么不直接继承InputStream？

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？

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；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。

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。

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。

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();
    }
}

总的来说，当 BufferedInputStream 继承自 FilterInputStream 时，它可以非常轻松地扩展 FilterInputStream 的行为，从而实现了输入流的缓冲功能。如果 BufferedInputStream 直接继承自 InputStream，那么它就需要重新实现所有 InputStream 的方法，包括一些可能不需要修改的方法，这会使代码变得复杂且容易出错。

2.MyBatis的缓存设计

创建缓存的过程

useNewCache方法用于配置Mapper是否使用一个全新的缓存实例，而不共享缓存实例

public Cache useNewCache(Class<? extends Cache> typeClass,
                         Class<? extends Cache> evictionClass,
                         Long flushInterval,
                         Integer size,
                         boolean readWrite,
                         boolean blocking,
                         Properties props) {
    Cache cache = new CacheBuilder(currentNamespace)
        // 根据类型生成实例，并进行配置
        .implementation(valueOrDefault(typeClass, PerpetualCache.class))
        .addDecorator(valueOrDefault(evictionClass, LruCache.class))  // 添加装饰器
        .clearInterval(flushInterval)
        .size(size)
        .readWrite(readWrite)
        .blocking(blocking)
        .properties(props)
        .build();
    configuration.addCache(cache);
    currentCache = cache;
    return cache;
}

默认的缓存如下，本质就是维护了一个简单的HashMap

public class PerpetualCache implements Cache {

  private final String id;

  private final Map<Object, Object> cache = new HashMap<>();

  public PerpetualCache(String id) {
    this.id = id;
  }

  @Override
  public void putObject(Object key, Object value) {
    cache.put(key, value);
  }

  @Override
  public Object getObject(Object key) {
    return cache.get(key);
  }
  // ...省略其他的简单的方法

}

缓存的构建过程

public Cache build() {
    // 设置默认的cache实现，并绑定默认的淘汰策略
    setDefaultImplementations();
    // 利用反射创建实例
    Cache cache = newBaseCacheInstance(implementation, id);
    // 设置properties属性
    setCacheProperties(cache);
    // 不应用装饰自定义缓存，自定义缓存需要自己实现对应的特性，如淘汰策略等
    // 通常情况自定义缓存有自己的独立配置，如redis、ehcache
    if (PerpetualCache.class.equals(cache.getClass())) {
        for (Class<? extends Cache> decorator : decorators) {
            cache = newCacheDecoratorInstance(decorator, cache);
            setCacheProperties(cache);
        }
        // 这是标准的装饰器，这里使用了装饰器设计模式
        cache = setStandardDecorators(cache);
    } else if (!LoggingCache.class.isAssignableFrom(cache.getClass())) {
        cache = new LoggingCache(cache);
    }
    return cache;
}

MyBatis会使用装饰者设计模式，对默认cache进行装饰，使其具有LRU的能力

private void setDefaultImplementations() {
    if (implementation == null) {
        implementation = PerpetualCache.class;
        if (decorators.isEmpty()) {
            // decorators是成员变量，装饰器，饰器具备LRU的能力
            decorators.add(LruCache.class);
        }
    }
}

LruCache实现如下，默认情况下的LRU算法实现是基于LinkedHashMap实现的

public class LruCache implements Cache {

    // 代理目标缓存
    private final Cache delegate;
    private Map<Object, Object> keyMap;
    private Object eldestKey;

    // LruCache用来装饰默认的缓存，这里实现了缓存的高级特性
    public LruCache(Cache delegate) {
        this.delegate = delegate;
        setSize(1024);
    }

    @Override
    public String getId() {
        return delegate.getId();
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return delegate.getSize();
    }

    // 设置长度，构建一个LinkedHashMap，重写removeEldestEntry
    public void setSize(final int size) {
        // 第三个参数accessOrder为true，可以使LinkedHashMap维护一个【访问顺序】
        // 最近被访问的数据会被放在链表的尾部，天然实现lru
        keyMap = new LinkedHashMap<Object, Object>(size, .75F, true) {
            private static final long serialVersionUID = 4267176411845948333L;

            // 重写该方法，父类直接返回false
            // 只要实际容量size() 大于 初始化容量 size 认定当前的缓存已经满了
            // 该方法会在LinkedHashMap的afterNodeInsertion方法中被主动调用
            // 会将头节点当作eldest删除
            @Override
            protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<Object, Object> eldest) {
                
                boolean tooBig = size() > size;
                if (tooBig) {
                    // 同时将这个这个key复制给成员变量eldestKey
                    eldestKey = eldest.getKey();
                }
                return tooBig;
            }
        };
    }

    // put一个缓存的过程
    // 放入当前的缓存值，淘汰eldestKey
    @Override
    public void putObject(Object key, Object value) {
        delegate.putObject(key, value);
        cycleKeyList(key);
    }

    // get一个缓存的过程
    // 获得该值，同时提升key热度，主动访问一下keyMap.get(key)
    @Override
    public Object getObject(Object key) {
        keyMap.get(key); 
        return delegate.getObject(key);
    }

    @Override
    public Object removeObject(Object key) {
        return delegate.removeObject(key);
    }

    @Override
    public void clear() {
        delegate.clear();
        keyMap.clear();
    }

    // 循环key的集合
    private void cycleKeyList(Object key) {
        keyMap.put(key, key);
        if (eldestKey != null) {
            delegate.removeObject(eldestKey);
            eldestKey = null;
        }
    }

}

最后使用其他的装饰器对cache进行装饰，使其就有更多的能力

private Cache setStandardDecorators(Cache cache) {
    try {
        MetaObject metaCache = SystemMetaObject.forObject(cache);
        // 设置大小，默认1024
        if (size != null && metaCache.hasSetter("size")) {
            metaCache.setValue("size", size);
        }
        if (clearInterval != null) {
            cache = new ScheduledCache(cache);
            ((ScheduledCache) cache).setClearInterval(clearInterval);
        }
        if (readWrite) {
            cache = new SerializedCache(cache);
        }
        cache = new LoggingCache(cache);
        cache = new SynchronizedCache(cache);
        if (blocking) {
            cache = new BlockingCache(cache);
        }
        return cache;
    } catch (Exception e) {
        throw new CacheException("Error building standard cache decorators.  Cause: " + e, e);
    }
}

三、总结

装饰器模式主要解决继承关系过于复杂的问题，通常是通过组合来替代继承。

它主要的作用是给原始类添加功能。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。

Q: 在学习代理设计模式的时候，我们通过装饰者模式给 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？

事实上对于绝大多数的"添加缓存"的业务场景，核心目的主要就是想增强对象的功能（即增加缓存功能），而并不是控制对对象的访问，所以装饰器模式可能会更合适。但是假如，我们想强制对持久层增加一个本地缓存，代理设计模式也是很好的选择。

文章到这里就结束了，如果有什么疑问的地方，可以在评论区指出~

希望能和大佬们一起努力，诸君顶峰相见

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