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50 | 装饰器模式：通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式

50 | 装饰器模式：通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式-极客时间

50 | 装饰器模式：通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式

2020-02-26 王争 来自北京
《设计模式之美》
课程介绍

讲述：冯永吉

时长08:18大小6.66M

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：
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：
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。
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？
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。
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。
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。
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。
// 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。
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。
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();
}
}

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。
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提建议

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精选留言(125)

  • 下雨天
    2020-02-26
    你是一个优秀的歌手，只会唱歌这一件事，不擅长找演唱机会，谈价钱，搭台，这些事情你可以找一个经纪人帮你搞定，经纪人帮你做好这些事情你就可以安稳的唱歌了，让经纪人做你不关心的事情这叫代理模式。 你老爱记错歌词，歌迷和媒体经常吐槽你没有认真对待演唱会，于是你想了一个办法，买个高端耳机，边唱边提醒你歌词，让你摆脱了忘歌词的诟病，高端耳机让你唱歌能力增强，提高了基础能力这叫装饰者模式。
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    共 33 条评论
    539
  • 小晏子
    2020-02-26
    对于添加缓存这个应用场景使用哪种模式，要看设计者的意图，如果设计者不需要用户关注是否使用缓存功能，要隐藏实现细节，也就是说用户只能看到和使用代理类，那么就使用proxy模式；反之，如果设计者需要用户自己决定是否使用缓存的功能，需要用户自己新建原始对象并动态添加缓存功能，那么就使用decorator模式。
    共 10 条评论
    317
  • Jxin
    2020-02-26
    今天的课后题： 1.有意思，关于代理模式和装饰者模式，各自应用场景和区别刚好也想过。 1.代理模式和装饰者模式都是 代码增强这一件事的落地方案。前者个人认为偏重业务无关，高度抽象，和稳定性较高的场景（性能其实可以抛开不谈）。后者偏重业务相关，定制化诉求高，改动较频繁的场景。 2.缓存这件事一般都是高度抽象，全业务通用，基本不会改动的东西，所以一般也是采用代理模式，让业务开发从缓存代码的重复劳动中解放出来。但如果当前业务的缓存实现需要特殊化定制，需要揉入业务属性，那么就该采用装饰者模式。因为其定制性强，其他业务也用不着，而且业务是频繁变动的，所以改动的可能也大，相对于动代，装饰者在调整（修改和重组）代码这件事上显得更灵活。
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    共 12 条评论
    149
  • 守拙
    2020-02-26
    补充关于Proxy Pattern 和Decorator Pattern的一点区别: Decorator关注为对象动态的添加功能, Proxy关注对象的信息隐藏及访问控制. Decorator体现多态性, Proxy体现封装性. reference: https://stackoverflow.com/questions/18618779/differences-between-proxy-and-decorator-pattern
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    共 3 条评论
    94
  • andi轩
    2020-04-15
    对于为什么必须继承装饰器父类 FilterInputStream的思考： 装饰器如BufferedInputStream等，本身并不真正处理read()等方法，而是由构造函数传入的被装饰对象：InputStream（实际上是FileInputStream或者ByteArrayInputStream等对象）来完成的。 如果不重写默认的read()等方法，则无法完成如FileInputStream或者ByteArrayInputStream等对象所真正实现的read功能。 所以必须重写对应的方法，代理给这些被装饰对象进行处理（这也是类似于代理模式的地方）。 如果像DataInputStream和BufferedInputStream等每个装饰器都重写的这些方法话，会存在大量重复的代码。 所以让它们都继承FilterInputStream提供的默认实现，可以减少代码重复，让装饰器只聚焦在它自己的装饰功能上即可。
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    共 9 条评论
    56
  • rammelzzz
    2020-02-26
    对于无需Override的方法也要重写的理解： 虽然本身BufferedInputStream也是一个InputStream，但是实际上它本身不作为任何io通道的输入流，而传递进来的委托对象InputStream才能真正从某个“文件”（广义的文件，磁盘、网络等）读取数据的输入流。因此必须默认进行委托。
    共 2 条评论
    35
  • 万历十五年
    2020-11-25
    代理模式体现封装性，非业务功能与业务功能分开，而且使用是透明的，使用者只需要关注于自身的业务，在业务场景上适用于对某一类功能进行加强，比如日志，事务，权限。 装饰器模式体现多态性，优点在于避免了继承爆炸，适用于扩展多个平行功能。在场景上，这些扩展的功能可以像火车厢一样串起来，使原有的业务功能不断增强。 具体到“缓存”这个单个问题，两种模式都可以，主要还是看设计者的目的，如果是为了新增功能的隐藏性，就使用代理模式；如果设计者不仅要增加“缓存”功能，还要增加“过滤”等功能，就更适于装饰器模式。
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    作者回复: 嗯嗯 ������

    共 4 条评论
    32
  • Yo nací para que...
    2020-02-26
    对于为什么中间要多继承一个FilterInputStream类，我的理解是这样的： 假如说BufferedInputStream类直接继承自InputStream类且没有进行重写，只进行了装饰 创建一个InputStream is = new BufferedInputStream(new FileInputStream(FilePath)); 此时调用is的没有重写方法(如read方法)时调用的是InputStream类中的read方法，而不是FileInputStream中的read方法，这样的结果不是我们想要的。所以要将方法再包装一次，从而有FilterInputStream类，也是避免代码的重复，多个装饰器只用写一遍包装代码即可。
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    共 4 条评论
    31
  • 李小四
    2020-03-07
    设计模式_50: # 作业 正如文中所说，装饰器是对原有功能的扩展，代理是增加并不相关的功能。 所以问题就变成使用者认为“缓存”是否扩展了原功能 - 比如说需要把想把所有的网络信息都加上缓存，提高一些查询效率，这时候应该使用代理模式； - 如果我在设计网络通信框架，需要把提供“缓存”作为一种扩展能力，这时应该用装饰器模式； 现实中，大部分的网络缓存都以代理模式被实现。 另外，缓存(Cache)与缓冲(Buffer)是不同的概念，这里也可以区分一下。 # 感受 到了具体模式的课程，有一个明显的特点：一句话感觉看懂了，反复读才能发现有更多的信息在里面，坦白讲，很多模式编程中没有用过，与单纯地读原理和特征相比，我想真正用的时候才能理解更深入的东西。
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    17
  • 岁月神偷
    2020-02-27
    我觉得应该用代理模式，当然这个是要看场景的。代理模式是在原有功能之外增加了其他的能力，而装饰器模式则在原功能的基础上增加额外的能力。一个是增加，一个是增强，就好比一个是在手机上增加了一个摄像头用于拍照，而另一个则是在拍照这个功能的基础上把像素从800W提升到1600W。我觉得通过这样的方式区分的话，大家互相沟通起来理解会统一一些。
    共 1 条评论
    14
  • iLeGeND
    2020-02-26
    // 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 } } 老师 上面代码结构完全一样啊 不能因为 f() 中写的 逻辑不同 就说是两种模式吧
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    共 5 条评论
    10
  • 唐朝农民
    2020-02-26
    订单的优惠有很多种，比如满减，领券这样的是不是可以使用decorator 模式来实现
    共 3 条评论
    8
  • 楚小奕
    2021-01-13
    我觉得不要纠结代理和装饰吧， 自己清楚设计意图就好
    5
  • 木头
    2020-02-26
    看业务场景，如果只是针对某个类的某一个对象，添加缓存，那么就使用装饰模式。如果是针对这个类的所有对象，添加缓存。那么就使用代理模式
    5
  • 年轻的我们
    2020-03-08
    个人理解：装饰者模式就是代理模式中的静态代理模式，装饰类对于需要新增附加功能的方法，新增附加功能，对应不需要实现定制化功能的方法，继承和组合方式调用原始类功能即可
    共 2 条评论
    4
  • 松花皮蛋me
    2020-02-26
    通过将原始类以组合的方式注入到装饰器类中，以增强原始类的功能，而不是使用继承，避免维护复杂的继承关系。另外，装饰器类通常和原始类实现相同的接口，如果方法不需要增强，重新调用原始类的方法即可。
    4
  • JoeyforJoy
    2021-04-25
    代理模式和装饰器模式的区别要从类的调用者的角度来看。 对于代理模式，调用者不需要知道代理类中有哪些额外的功能模块，直接调用代理类即可。正如我们找别人“代理”办事一样，我不需要知道代理人为我们多做了哪些事，我们只关心我们交代的事情有没有办好。 而对于装饰器模式，调用者则需要知道装饰类提供的额外的功能，来满足定制化的服务。就好比买手机时的套餐服务，我们不仅关心手机的好坏，我们还关心提不提供保修、送不送充电器等额外的服务。 回过头来回答课后问题，对于类的设计者来说，如果设计者认为“缓存”功能对于调用者来说在任何时刻都是必要的，那么则选择代理模式；如果设计者认为“缓存”功能对调用者来说是可有可无的，希望调用者根据自己的需要来定制的，那么则选择装饰器模式
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    共 1 条评论
    3
  • 永旭
    2020-07-15
    读了第三遍了 , JAVA IO 用例才理解透 ~~
    共 2 条评论
    3
  • Frank
    2020-02-27
    打卡 设计模式-装饰器模式 装饰器模式是一种类似于代理模式的结构型模式。主要意图是增强原始类的功能，可以实现多个功能的增强（即不同的功能单独一个类维护，使用该模式将其功能组合起来）。该模式主要是为了解决为了实现某些功能导致子类膨胀的问题。个人觉得主要体现了单一职责、组合优先于继承原则。主要应用场景有Java IO 流设计。但是有个疑惑，在Reader和Writer体系结构的设计中，并没有像InputStream和OutputStream那样设计一个过滤流类，而BufferedReader等直接继承了Reader。按照作者本文的分析，字符输入流直接跳过了使用中间类来继承的步骤，这样的设计又该如何理解？ 对于课堂讨论，我觉得应该使用装饰器模式，因为“添加缓存”这个功能跟原始功能是由直接关系的。而代理模式所面向主要是将框架代码与业务代码解耦合。
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    3
  • 查理
    2020-09-10
    还是不太懂代理模式和装饰器模式的区别，感觉他们太像了，只不过人为规定，代理模式新增的是与原始类不相关的功能，装饰器模式是对原始功能的增强，但是他们在代码类结构上是相同的。
    共 5 条评论
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