装饰器设计模式

2. 装饰器设计模式

2.1 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，先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。这样可以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。

在 Java 中，实现装饰器设计模式的步骤如下：

（1）定义一个接口或抽象类，作为被装饰对象的基类

/*** 接口描述：装饰接口** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/12/14 21:15*/
public interface Component {/*** 用于定义被装饰对象的基本行为*/void operation();
}

（2）定义一个具体的被装饰对象，实现基类中的方法

/*** 类描述：具体的被装饰对象类** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/12/14 21:17*/
@Slf4j
public class ConcreteComponent implements Component {@Overridepublic void operation() {log.info(">>>ConcreteComponent is doing something...");}
}

（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

/*** 类描述：装饰器类** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/12/14 21:19*/
public abstract class Decorator implements Component {protected Component component;public Decorator(Component component) {this.component = component;}@Overridepublic void operation() {this.component.operation();}
}

（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。

/*** 类描述：具体的装饰器类** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/12/14 21:21*/
@Slf4j
public class ConcreteDecoratorA extends Decorator {public ConcreteDecoratorA(Component component) {super(component);}/*** 重写方法，并做增强*/@Overridepublic void operation() {// 我们先调用被装饰对象的同名方法，然后添加新的行为super.operation();log.info("ConcreteDecoratorA is adding new behavior...");}
}

（5）使用装饰器增强被装饰对象

/*** 类描述：装饰器设计模式测试** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/12/14 21:25*/
@Slf4j
public class DecoratePatternTest {@Testpublic void test() {Component component = new ConcreteComponent();ConcreteDecoratorA concreteDecoratorA = new ConcreteDecoratorA(component);concreteDecoratorA.operation();}
}

测试效果：

>>> ConcreteComponent is doing something...
>>> 增强：ConcreteDecoratorA is adding new behavior...

虽然装饰器模式和静态代理模式有一些相似之处，但它们之间还是有区别的：

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，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。

2.2 使用场景

2.2.1 从IO库的设计理解装饰器

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，具体的代码如下：

InputStream in = new FileInputStream("D:/test.txt");
InputStream bin = new BufferedInputStream(in);
byte[] data = new byte[128];while (bin.read(data) != -1) {//...
}

上面代码中先创建一个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？比如：

// 实际IO没有这样设计
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
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孙子类。

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
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。

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

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。

装饰器类是对功能的增强。

2.2.2 mybatis的缓存设计

org.apache.ibatis.builder.MapperBuilderAssistant#useNewCache创建缓存的过程：

public class MapperBuilderAssistant extends BaseBuilder {// 。。。public Cache useNewCache(Class<? extends Cache> typeClass,Class<? extends Cache> evictionClass,Long flushInterval,Integer size,boolean readWrite,boolean blocking,Properties props) {// 根据类型生成实例，并进行配置Cache cache = new CacheBuilder(currentNamespace).implementation(valueOrDefault(typeClass, PerpetualCache.class)).addDecorator(valueOrDefault(evictionClass, LruCache.class)).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 Map<Object, Object> cache = new HashMap<Object, Object>();public PerpetualCache(String id) {this.id = id;}@Overridepublic String getId() {return id;}@Overridepublic int getSize() {return cache.size();}@Overridepublic void putObject(Object key, Object value) {cache.put(key, value);}@Overridepublic Object getObject(Object key) {return cache.get(key);}// ...省略其他的简单的方法
}

缓存的实现当然不可能这么简单，事实上他的构造过程（org.apache.ibatis.mapping.CacheBuilder#build）如下：

public class CacheBuilder {private final String id;private Class<? extends Cache> implementation;private final List<Class<? extends Cache>> decorators;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);// issue #352, do not apply decorators to custom caches// 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、ehcacheif (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，如下：

private void setDefaultImplementations() {if (implementation == null) {implementation = PerpetualCache.class;if (decorators.isEmpty()) {decorators.add(LruCache.class);}}
}

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) {// 包装增强cachetry {MetaObject metaCache = SystemMetaObject.forObject(cache);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);}
}

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