浅析设计模式3 —— 装饰者模式
推荐语：本文从装饰者模式的核心思想到与其他设计模式的横向对比，从代码示例到业务实战，向读者娓娓呈现装饰者模式的真貌。深入浅出的JDK源码透析，使用场景的利弊权衡，真的值得一阅！
——大淘宝技术开发工程师 玄苏
装饰者模式的核心思想是通过创建一个装饰对象（即装饰者），动态扩展目标对象的功能，并且不会改变目标对象的结构，提供了一种比继承更灵活的替代方案。
本文为此系列第三篇文章。
第一篇：浅析设计模式1 —— 工厂模式
第二篇：浅析设计模式2 —— 策略模式
概述
我们在进行软件开发时要想实现可维护、可扩展，就需要尽量复用代码，并且降低代码的耦合度，而设计模式就是一种可以提高代码可复用性、可维护性、可扩展性以及可读性的解决方案。
大家熟知的23种设计模式，可以分为创建型模式、结构型模式和行为型模式三大类。其中，结构型模式用于设计类或对象的组合方式，以便实现更加灵活的结构。结构型模式又可划分为类结构型模式和对象结构型模式，前者通过继承来组合接口或类，后者通过组合或聚合来组合对象。本文将着眼于结构型模式中的装饰者模式进行学习分享，如有表述不当的地方恭请大佬们指教哦～
（上篇文章末尾对本次分享内容做预告时，提到要对结构型模式做一个整体的分析讨论，但经过后续学习调研，才发现自己属实低估了结构型模式的信息量。为避免长篇大论、追求细水长流，这次还是先选取其中一种模式进行探讨）
基本概念
装饰者模式的核心思想是通过创建一个装饰对象（即装饰者），动态扩展目标对象的功能，并且不会改变目标对象的结构，提供了一种比继承更灵活的替代方案。需要注意的是，装饰对象要与目标对象实现相同的接口，或继承相同的抽象类；另外装饰对象需要持有目标对象的引用作为成员变量，而具体的赋能任务往往通过带参构造方法来完成。
下面继续从模式结构和使用步骤两个层面，简单阐述装饰者模式的基本概念。
▐ 结构
装饰者模式包含四种类，分别是抽象构件类、具体构件类、抽象装饰者类、具体装饰者类，它们各自负责完成特定任务，并且相互之间存在紧密联系。
角色 |
关系 |
作用 |
抽象构件 Component |
具体构件和抽象装饰者的父类 |
定义一个抽象接口，规范目标对象 |
具体构件 Concrete Component |
抽象构件的接口实现类 |
定义一个目标对象，也就是将要接收附加功能的类 |
抽象装饰者 Decorator |
继承或实现抽象构件，持有一个抽象构件类的引用实例 |
定义一个与抽象构件接口一致的接口，以便具体装饰者添加功能 |
具体装饰者 Concrete Decorator |
实现抽象装饰者的方法 |
为具体构件（目标对象）添加附加功能（方法） |
▐ 使用
有了上述的基本概念，我们将装饰者模式的使用步骤概括为：
step1：创建抽象构件类，定义目标对象的抽象类、将要扩展的功能定义成抽象方法；
step2：创建具体构件类，定义目标对象的实现类，实现抽象构件中声明的抽象方法；
step3：创建抽象装饰者类，维护一个指向抽象构件的引用，并传入构造函数以调用具体构件的实现方法，给具体构件增加功能；
step4：创建具体装饰者类，可以调用抽象装饰者类中定义的方法，并定义若干个新的方法，扩展目标对象的功能。
使用示例
我们在淘宝上购物时，经常会遇到很多平台和商家的优惠活动：满减、聚划算站内的百亿补贴券、店铺折扣等等。那么在商品自身原价的基础上，叠加了多种优惠活动后，后台应该怎样计算最终的下单结算金额呢？下面就以这种优惠叠加结算的场景为例，简单分析装饰者模式如何使用。
▐ 代码实现
// 定义抽象构件：抽象商品
public interface ItemComponent {
// 商品价格
public double checkoutPrice();
}
// 定义具体构件：具体商品
public class ConcreteItemCompoment implements ItemComponent {
// 原价
@Override
public double checkoutPrice() {
return 200.0;
}
}
// 定义抽象装饰者：创建传参(抽象构件)构造方法，以便给具体构件增加功能
public abstract class ItemAbsatractDecorator implements ItemComponent {
protected ItemComponent itemComponent;
public ItemAbsatractDecorator(ItemComponent myItem) {
this.itemComponent = myItem;
}
@Overrid
public double checkoutPrice() {
return this.itemComponent.checkoutPrice();
}
}
// 定义具体装饰者A：增加店铺折扣八折
public class ShopDiscountDecorator extends ItemAbsatractDecorator {
public ShopDiscountDecorator(ItemComponent myItem) {
super(myItem);
}
@Override
public double checkoutPrice() {
return 0.8 * super.checkoutPrice();
}
}
// 定义具体装饰者B：增加满200减20功能，此处忽略判断逻辑
public class FullReductionDecorator extends ItemAbsatractDecorator {
public FullReductionDecorator(ItemComponent myItem) {
super(myItem);
}
@Override
public double checkoutPrice() {
return super.checkoutPrice() - 20;
}
}
// 定义具体装饰者C：增加百亿补贴券50
public class BybtCouponDecorator extends ItemAbsatractDecorator {
public BybtCouponDecorator(ItemComponent myItem) {
super(myItem);
}
@Override
public double checkoutPrice() {
return super.checkoutPrice() - 50;
}
}
//客户端调用
public class userPayForItem() {
public static void main(String[] args) {
ItemCompoment item = new ConcreteItemCompoment();
System.out.println("宝贝原价：" + item.checkoutPrice() + " 元"）;
item = new ShopDiscountDecorator(item);
System.out.println("使用店铺折扣后需支付：" + item.checkoutPrice() + " 元"）;
item = new FullReductionDecorator(item);
System.out.println("使用满200减20后需支付：" + item.checkoutPrice() + " 元"）;
item = new BybtCouponDecorator(item);
System.out.println("使用百亿补贴券后需支付：" + item.checkoutPrice() + " 元"）;
}
}▐ 结果输出
宝贝原价：200.0 元
使用店铺折扣后需支付：160.0 元
使用满200减20后需支付：140.0 元
使用百亿补贴券后需支付：90.0 元▐ UML图
▐ 比较分析
VS 继承
装饰者模式和继承关系都是要对目标类进行功能扩展，但装饰模式可以提供比继承更多的灵活性：继承是静态添加功能，在系统运行前就会确定下来；装饰者模式是动态添加、删除功能。
比如，一个对象需要具备 10 种功能，但客户端可能要求分阶段使用对象功能：在第一阶段只执行第 1-8 项功能，第二阶段执行第 3-10 项功能，这种场景下只需先定义好第 3-8 项功能方法。在程序运行的第一个阶段，使用具体装饰者 A 添加 1、2 功能；在第二个运行阶段，使用具体装饰者 B 添加 9、10 功能。而继承关系难以实现这种需求，它必须在编译期就定义好要使用的功能。
VS 代理模式
装饰者模式常常被拿来和代理模式比较，两者都要实现目标类的相同接口、声明一个目标对象，并且都可以在不修改目标类的前提下进行方法扩展，整体设计思路非常相似。那么两者的区别是什么呢？
首先，装饰者模式的重点在于增强目标对象功能，而代理模式的重点在于保护和隐藏目标对象。其中，装饰者模式需要客户端明确知道目标类，才能对其功能进行增强；代理模式要求客户端对目标类进行透明访问，借助代理类来完成相关控制功能（如日志记录、缓存设置等），隐藏目标类的具体信息。可见，代理类与目标类的关系往往在编译时就确定下来，而装饰者类在运行时动态构造而成。
其次，两者获取目标类的方式不同。装饰者模式是将目标对象作为参数传给构造方法，而代理模式是通过在代理类中创建目标对象的一个实例。
最后，通过上述示例可发现，装饰者模式会使用一系列具体装饰者类来增强目标对象的功能，产生了一种连续、叠加的效应；而代理模式是在代理类中一次性为目标对象添加功能。
VS 适配器模式
两者都属于包装式行为，即当一个类不能满足需求时，创建辅助类进行包装以满足变化的需求。但是装饰者模式的装饰者类和被装饰类都要实现相同接口，或者装饰类是被装饰类的子类；而适配器模式中，适配器和被适配的类可以有不同接口，并且可能会有部分接口重合。
JDK源码赏析
Java I/O标准库是装饰者模式在Java语言中非常经典的应用实例。
如下图所示，InputStream 相当于抽象构件，FilterInputStream 类似于抽象装饰者，它的四个子类等同于具体装饰者。其中，FilterInputStream 中含有被装饰类 InputStream 的引用，其具体装饰者及各自功能为：PushbackInputStream 能弹出一个字节的缓冲区，可将输入流放到回退流中；DataInputStream 与 DataOutputStream搭配使用，用来装饰其它输入流，允许应用程序以一种与机器无关的方式从底层输入流中读取基本 Java 数据类型；BufferedInputStream 使用缓冲数组提供缓冲输入流功能，在每次调用 read() 方法时优先从缓冲区读取数据，比直接从物理数据源读取数据的速度更快；LineNumberInputStream 提供输入流过滤功能，可以跟踪输入流中的行号（以回车符、换行符标记换行）。
FilterInputStream 是所有装饰器类的抽象类，提供特殊的输入流控制。下面源码省略了 skip、available、mark、reset、markSupported 方法，这些方法也都委托给了 InputStream 类。其中， InputStream 提供装饰器类的接口，因而此类并没有对 InputStream 的功能做任何扩展，其扩展主要交给其子类来实现。
public class FilterInputStream extends InputStream {
//维护一个 InputStream 对象
protected volatile InputStream in;
//构造方法参数需要一个 inputStream
protected FilterInputStream(InputStream in) {
this.in = in;
}
//委托给 InputStream
public int read() throws IOException {
return in.read();
}
//委托给 InputStream
public void close() throws IOException {
in.close();
}
.......
}由于源码太长，这里先以 PushbackInputStream 为例，展示 FilterInputStream 的具体装饰者的底层实现，大家感兴趣的话可以自行查阅其它源码哦。PushbackInputStream 内部维护了一个 pushback buf 缓冲区，可以帮助我们试探性地读取数据流，对于不想要的数据也可以返还回去。
public class PushbackInputStream extends FilterInputStream {
//缓冲区
protected byte[] buf;
protected int pos;
private void ensureOpen() throws IOException {
if (in == null)
throw new IOException("Stream closed");
}
//构造函数可以指定返回的字节个数
public PushbackInputStream(InputStream in, int size) {
super(in);
if (size <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("size <= 0");
}
//初始化缓冲区的大小
this.buf = new byte[size];
//设置读取的位置
this.pos = size;
}
//默认回退一个
public PushbackInputStream(InputStream in) {
this(in, 1);
}
public int read() throws IOException {
//确保流存在
ensureOpen();
//如果要读取的位置在缓冲区里面
if (pos < buf.length) {
//返回缓冲区中的内容
return buf[pos++] & 0xff;
}
//否则调用超类的读函数
return super.read();
}
//读取指定的长度
public int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
ensureOpen();
if (b == null) {
throw new NullPointerException();
} else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
throw new IndexOutOfBoundsException();
} else if (len == 0) {
return 0;
}
//缓冲区长度减去读取位置
int avail = buf.length - pos;
//如果大于0，表明部分数据可以从缓冲区读取
if (avail > 0) {
//如果要读取的长度小于可从缓冲区读取的字符
if (len < avail) {
//修改可读取值为实际要读的长度
avail = len;
}
//将buf中的数据复制到b中
System.arraycopy(buf, pos, b, off, avail);
//修改pos的值
pos += avail;
//修改off偏移量的值
off += avail;
//修改len的值
len -= avail;
}
//如果从缓冲区读取的数据不够
if (len > 0) {
//从流中读取
len = super.read(b, off, len);
if (len == -1) {
return avail == 0 ? -1 : avail;
}
return avail + len;
}
return avail;
}
//不读字符b
public void unread(int b) throws IOException {
ensureOpen();
if (pos == 0) {
throw new IOException("Push back buffer is full");
}
//实际就是修改缓冲区中的值，同时pos后退
buf[--pos] = (byte)b;
}
public void unread(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
ensureOpen();
if (len > pos) {
throw new IOException("Push back buffer is full");
}
//修改缓冲区中的值，pos后退多个
pos -= len;
System.arraycopy(b, off, buf, pos, len);
}
public void unread(byte[] b) throws IOException {
unread(b, 0, b.length);
}
}
优缺点及适用场景
▐ 优点
提供比继承更加灵活的扩展功能，通过叠加不同的具体装饰者的方法，动态地增强目标类的功能。
装饰者和被装饰者可以独立发展，不会相互耦合，比如说我们想再加一个炒河粉只需创建一个炒河粉类继承FastFood即可，而想要增加火腿肠配料就增加一个类去继承 Garnish 抽象装饰者。
▐ 缺点
使用装饰模式，可以比使用继承关系创建更少的类，使设计比较易于进行。然而，多层装饰会产生比继承更多的对象，使查错更加困难，尤其是这些对象都很相似。而且，当目标类被多次动态装饰后，程序的复杂性也会大大提升，难以维护。
▐ 适用场景
继承关系不利于系统维护，甚至不能使用继承关系的场景。比如，当继承导致类爆炸时、目标类被 final 修饰时，都不宜通过创建目标类的子类来扩展功能。
要求不影响其他对象，为特定目标对象添加功能。
要求动态添加、撤销对象的功能。
总结
装饰者模式也是一种比较容易理解和上手的设计模式，它可以对多个装饰者类进行花式排列组合，适应多变的用户需求。同时，装饰者模式也是符合开闭原则的，被装饰的对象和装饰者类互相独立、互不干扰。
在介绍装饰者模式的适用场景时，我们可以发现上述场景在实际工程中也比较常见，因此装饰者模式同样应用广泛。除了本文提到的 Java I/O，装饰者模式的典型应用实例还有：Spring cache 中的 TransactionAwareCacheDecorator 类、 Spring session 中的 ServletRequestWrapper 类、Mybatis 缓存中的 decorators 包等等。
下篇预告：现在，我们已经学习了三种设计模式，涉及了创建型模式、行为型模式和结构型模式。而下一篇内容其实早在写装饰者模式之前就已经确定了主题 —— 模版方法模式，只不过为了承接第二篇文章最后的 “下篇内容预告” 环节，这段时间还是先行研究了结构型模式 （这次文章出的比较慢，但也算是在备战双 11 期间努力拼凑个人碎片时间完成了更新啦）。下期要分享的模版方法模式，是我在工作过程中实际开发的应用里，经常看到的一种设计模式，因此也是非常好奇：这种模式有什么优点和缺点呢？有没有与之相似的设计模式？又有哪些适用的场景？小伙伴们可以一起来学习讨论呀，我们下期再见哦！
团队介绍
我们是大淘宝技术大聚划算技术团队，负责支持聚划算、百亿补贴、天天特卖等业务。我们聚焦优惠和选购体验，通过数智化驱动形成更有效率和确定性的货品运营方法论，为消费者提供精选和极致性价比的商品，为商家提供更具爆发确定性的营销方案。
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