设计模式之美学习(三十九)

本文最后更新于:6 个月前

通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式

参考:装饰器模式:通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式

装饰器模式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。

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:
image.png

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:
image.png

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。

InputStream in = new FileInputStream("/user/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。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?

InputStream bin = new BufferedFileInputStream("/user/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(intbooleanlong 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 DataFileInputStreamDataPipedInputStream 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 BufferedDataFileInputStreamBufferedDataPipedInputStreamn 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。

基于装饰器模式的设计方案

“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。

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: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:BufferedInputStreamDataInputStream,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。

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

第二: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。

// 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
  }
}

实际上,如果去查看 JDK 的源码,你会发现,BufferedInputStreamDataInputStream 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?

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。

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(BufferedInputStreamDataInputStream)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。

重点

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。