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Java设计模式-装饰者模式

定义

装饰者模式:在不改变原类文件以及不使用继承的情况下,动态地将责任附加到对象上,从而实现动态拓展一个对象的功能。它是通过创建一个包装对象,也就是装饰来包裹真实的对象。

原则

要使用装饰者模式,需要满足以下设计原则:

  1. 多用组合,少用继承
  2. 开放-关闭原则:类应该对拓展开放,对修改关闭

UML类图

我们先来看看装饰者模式的类图,再来详细讲述:

由上自下:

  1. Component是基类。通常是一个抽象类或者一个接口,定义了属性或者方法,方法的实现可以由子类实现或者自己实现。通常不会直接使用该类,而是通过继承该类来实现特定的功能,它约束了整个继承树的行为。比如说,如果Component代表人,即使通过装饰也不会使人变成别的动物。
  2. ConcreteComponenComponent的子类,实现了相应的方法,它充当了“被装饰者”的角色。
  3. Decorator也是Component的子类,它是装饰者共同实现的抽象类(也可以是接口)。比如说,Decorator代表衣服这一类装饰者,那么它的子类应该是T恤、裙子这样的具体的装饰者。
  4. ConcreteDecoratorDecorator的子类,是具体的装饰者,由于它同时也是Component的子类,因此它能方便地拓展Component的状态(比如添加新的方法)。每个装饰者都应该有一个实例变量用以保存某个Component的引用,这也是利用了组合的特性。在持有Component的引用后,由于其自身也是Component的子类,那么,相当于ConcreteDecorator包裹了Component,不但有Component的特性,同时自身也可以有别的特性,也就是所谓的装饰。

实例演示

为了更加深刻地理解装饰者模式,我们来看一个简单的栗子。首先,我们假设现在有这样一个需求:你有一家服装店,卖各式各样的衣服,现在需要用一个系统来记录客户所要购买的衣服的总价,以便方便地结算。那么在这个例子里面,我们可以用装饰者模式,把客户当做被装饰者,衣服是装饰者,这很直观形象吧,接着我们来一步步实现需求。

创建Component基类

因为总体对象是人,所以我们可以把人抽象为基类,新建Person.java:

public abstract class Person {
    String description = "Unkonwn";
    
    public String getDescription()
    {
        return description;
    }
    
    public abstract double cost(); //子类应该实现的方法
}
复制代码

创建被装饰者——ConcreteComponent

客户分为很多种,有儿童、青少年、成年人等,因此我们可以创建不同的被装饰者,这里我们创建青少年的被装饰者,新建Teenager.java:

public class Teenager extends Person {
    
    public Teenager() {
        this.description = "Shopping List:";
    }
    
    @Override
    public double cost() {
        //什么都没买,不用钱
        return 0;
    }

}
复制代码

创建Decorator

由于不同的部位有不同的衣物,不能混为一谈,比如说,衣服、帽子、鞋子等,那么这里我们创建的Decorator为衣服和帽子,分别新建ClothingDecorator.javaHatDecorator.java:

public abstract class ClothingDecorator extends Person {
    
    public abstract String getDescription();
}
public abstract class HatDecorator extends Person {

    public abstract String getDescription();

}

创建ConcreteDecorator

上面既然已经创建了两种Decorator,那么我们基于它们进行拓展,创建出不同的装饰者,对于Clothing,我们新建Shirt.java,对于Hat,我们新建Casquette,其实可以根据不同类型的衣物创建更多不同的装饰者,这里只是作为演示而创建了两种。代码如下所示:

public class Shirt extends ClothingDecorator {
    
    //用实例变量保存Person的引用
    Person person;
    
    public Shirt(Person person)
    {
        this.person = person;
    }
    
    @Override
    public String getDescription() {
        return person.getDescription() + "a shirt  ";
    }

    @Override
    public double cost() {
        return 100 + person.cost(); //实现了cost()方法,并调用了person的cost()方法,目的是获得所有累加值
    }

}
复制代码
public class Casquette extends HatDecorator {
    
    Person person;
    
    public Casquette(Person person) {
        this.person = person;
    }
    @Override
    public String getDescription() {
        return person.getDescription() + "a casquette  "; //鸭舌帽
    }

    @Override
    public double cost() {
        return 75 + person.cost();
    }

}
复制代码

最后我们在测试类测试我们的代码:

public class Shopping {

    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Teenager();
        
        person = new Shirt(person);
        person = new Casquette(person);
        
        System.out.println(person.getDescription() + " ¥ " +person.cost());
    }

}

先创建一个Teenager对象,接着用Shirt装饰它,就变成了穿着ShirtTeenager,再用Casquette装饰,就变成了戴着Casquette的穿着ShirtTeenager。运行结果如下所示:

我们梳理一下以上的逻辑,画出如下所示的韦恩图:

Teenager、Shirt、Casquette都是继承自Person基类,但是具体实现不同,TeenagerPerson的直接子类,表示了被装饰者;Teenager、Shirt是装饰者,保存了Person的引用,实现了cost()方法,并且在cost()方法内部,不但实现了自己的逻辑,同时也调用了Person引用的cost()方法,即获取了被装饰者的信息,这是装饰者的一个特点,保存引用的目的就是为了获取被装饰者的状态信息,以便将自身的特性加以组合。

总结

以上就是装饰者模式的一个小栗子,讲述了装饰者的基本用法。总结一下装饰者模式的特点。

  1. 装饰者和被装饰者有相同的接口(或有相同的父类)。
  2. 装饰者保存了一个被装饰者的引用。
  3. 装饰者接受所有客户端的请求,并且这些请求最终都会返回给被装饰者(参见韦恩图)。
  4. 在运行时动态地为对象添加属性,不必改变对象的结构。

使用装饰者模式的最大好处就是其拓展性十分良好,通过使用不同的装饰类来使得对象具有多种多样的属性,灵活性比直接继承好。然而它也有缺点,那就是会出现很多小类,即装饰类,使程序变得复杂。

扩展阅读

学习了装饰者模式用法、特点以及优缺点后,我们再来看看装饰者模式在实际开发过程的应用。装饰者模式在Java中经常出现的地方就是JavaIO。提到JavaIO,脑海中就冒出了大量的类:InputStream、FileInputStream、BufferedInputStream……等,真是头都大了,其实,这里面大部分都是装饰类,只要弄清楚这一点就容易理解了。我们来看看JavaIO是怎样使用装饰者模式的。

从字符流来分析,我们知道,有两个基类,分别是InputStreamOutputStream,它们也就是我们上面所述的Component基类。接着,它有如下子类:FileInputStream、StringBufferInputStream等,它们就代表了上面所述的ConcreteComponent,即装饰对象。此外,InputStream还有FilterInputStream这个子类,它就是一个抽象装饰者,即Decorator,那么它的子类:BufferedInputStream、DataInputStream等就是具体的装饰者了。那么,从装饰者模式的角度来看JavaIO,是不是更加容易理解了呢?

下面,我们来自己实现自己的JavaIO的装饰者。要实现的功能是:把一段话里面的每个单词的首字母大写。

我们先新建一个类:UpperFirstWordInputStream.java

public class UpperFirstWordInputStream extends FilterInputStream {
    
    private int cBefore = 32;
    
    protected UpperFirstWordInputStream(InputStream in) {
        //由于FilterInputStream已经保存了装饰对象的引用,这里直接调用super即可
        super(in);
    }
    
    public int read() throws IOException{
        //根据前一个字符是否是空格来判断是否要大写
        int c = super.read();
        if(cBefore == 32)
        {
            cBefore = c;
            return (c == -1 ? c: Character.toUpperCase((char) c));
        }else{
            cBefore = c;
            return c;
        }
            
    }
    
}

接着编写一个测试类:InputTest.java

public class InputTest {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        int c;
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        try {
            //这里用了两个装饰者,分别是BufferedInputStream和我们的UpperFirstWordInputStream
            InputStream in = new UpperFirstWordInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("test.txt")));
            while((c = in.read()) >= 0)
            {
                sb.append((char) c);
            }
            System.out.println(sb);
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

(注意:上面的test.txt文件需要你自行创建,放到同一个文件夹内即可,内容可随意填写。) 最后,我们看下运行结果:

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