Java IO | 装饰器模式 | 扩展和定制流功能

一、概述

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1.1 IO流

  输入/输出（IO）流在计算机编程中起着至关重要的作用。它们提供了一种用于读取和写入数据的机制，使程序能够与外部设备（如文件、网络、数据库等）进行交互。IO流广泛应用于各种场景，包括文件处理、网络通信、数据传输、图像处理等。

1.2 装饰器模式在IO流中的作用

  装饰器模式是一种常用的设计模式，在IO流中发挥着重要的作用。该模式允许我们在不改变现有类结构的情况下，通过将对象包装在装饰器中来动态地添加新功能。

  装饰器模式回顾：装饰器模式-添衣加被

  装饰器模式的优势在于它的灵活性和可扩展性。我们可以根据需要组合多个装饰器，以实现复杂的功能组合。我们可以在读取或写入数据的过程中添加额外的处理逻辑，例如加密、压缩、缓冲等。

二、Java中的IO流和装饰器类介绍

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  在Java中，IO流和装饰器模式被广泛应用于处理输入和输出操作。Java提供了丰富的IO类和装饰器类，以满足不同的需求。

  Java中的装饰器类位于java.io包中。这些类实现了装饰器模式，允许我们在IO流中添加额外的功能。以下是一些常用的装饰器类：

• BufferedInputStream和BufferedOutputStream：提供了缓冲读取和写入功能，以提高IO性能。
• DataInputStream和DataOutputStream：提供了读取和写入基本数据类型的功能。
• ObjectInputStream和ObjectOutputStream：提供了读取和写入对象的功能。
• GZIPInputStream和GZIPOutputStream：提供了压缩和解压缩数据的功能。
• CipherInputStream和CipherOutputStream：提供了加密和解密数据的功能。

import java.io.*;

public class DecoratorExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建基础输入流
            InputStream inputStream = new FileInputStream("input.txt");

            // 使用装饰器包装输入流
            InputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(inputStream);
            InputStream dataInputStream = new DataInputStream(bufferedInputStream);

            // 读取数据
            int data = dataInputStream.read();
            while (data != -1) {
                System.out.print((char) data);
                data = dataInputStream.read();
            }

            // 关闭流
            dataInputStream.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

  在上述demo中，我们使用装饰器模式对输入流进行了包装。首先创建了一个基础的文件输入流（FileInputStream），然后通过使用装饰器类（BufferedInputStream和DataInputStream）对其进行包装。最后使用装饰器提供的功能读取文件中的数据。

三、定制IO流功能的装饰器

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  除了扩展IO流的功能，装饰器模式还可以用于定制IO流的功能。我们可以根据需要创建自定义的装饰器，以实现特定的功能。

3.1 缓冲装饰器

  缓冲装饰器用于提供缓冲读取和写入功能，以提高IO性能。在Java中，BufferedInputStream和BufferedOutputStream是常用的缓冲装饰器。

  代码示例：

import java.io.*;

public class BufferDecoratorExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建基础字节输入流和字节输出流
            InputStream inputStream = new FileInputStream("input.txt");
            OutputStream outputStream = new FileOutputStream("output.txt");

            // 使用缓冲装饰器包装字节输入流和字节输出流
            InputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(inputStream);
            OutputStream bufferedOutputStream = new BufferedOutputStream(outputStream);

            // 读取数据并写入数据
            int data = bufferedInputStream.read();
            while (data != -1) {
                bufferedOutputStream.write(data);
                data = bufferedInputStream.read();
            }

            // 刷新缓冲区并关闭流
            bufferedOutputStream.flush();
            bufferedInputStream.close();
            bufferedOutputStream.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.2 压缩装饰器

  压缩装饰器用于提供压缩和解压缩数据的功能。在Java中，GZIPInputStream和GZIPOutputStream是常用的压缩装饰器。

  代码示例：

import java.io.*;
import java.util.zip.*;

public class CompressionDecoratorExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建基础字节输入流和字节输出流
            InputStream inputStream = new FileInputStream("input.txt");
            OutputStream outputStream = new FileOutputStream("output.txt");

            // 使用压缩装饰器包装字节输入流和字节输出流
            InputStream gzipInputStream = new GZIPInputStream(inputStream);
            OutputStream gzipOutputStream = new GZIPOutputStream(outputStream);

            // 压缩数据
            int data = gzipInputStream.read();
            while (data != -1) {
                gzipOutputStream.write(data);
                data = gzipInputStream.read();
            }

            // 刷新压缩流并关闭流
            gzipOutputStream.finish();
            gzipInputStream.close();
            gzipOutputStream.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.3 加密装饰器

  加密装饰器是一种常见的定制IO流功能的装饰器，它可以用于对数据进行加密。

import java.io.*;
import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.CipherOutputStream;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;

public class EncryptionDecoratorExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建基础字节输出流
            OutputStream outputStream = new FileOutputStream("output.txt");

            // 创建加密密钥
            String key = "MySecretKey";
            DESKeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
            SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");
            SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(keySpec);

            // 创建加密器
            Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
            cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);

            // 创建装饰器对象并包装输出流
            OutputStream decoratedOutputStream = new CipherOutputStream(outputStream, cipher);

            // 使用装饰器写入数据
            String data = "Hello, World!";
            byte[] bytes = data.getBytes();
            decoratedOutputStream.write(bytes);

            // 关闭流
            decoratedOutputStream.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

四、装饰器链

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4.1 构建装饰器链

  在Java中，我们可以通过嵌套使用装饰器来构建装饰器链。每个装饰器都可以对流对象进行包装，并添加额外的功能。

import java.io.*;

public class DecoratorChainExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建基础字节输入流
            InputStream inputStream = new FileInputStream("input.txt");

            // 构建装饰器链
            InputStream decoratedInputStream = new BufferedInputStream(
                    new DataInputStream(
                            new FileInputStream("input.txt")
                    )
            );

            // 使用装饰器链读取数据
            int data = decoratedInputStream.read();
            while (data != -1) {
                System.out.print((char) data);
                data = decoratedInputStream.read();
            }

            // 关闭流
            decoratedInputStream.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

4.2 操作装饰器链中的流对象

  在使用装饰器模式进行IO流操作时，我们可以通过操作装饰器链中的流对象来实现特定的功能。

  以下是一些常见的操作装饰器链中的流对象的方法：

• 读取数据：使用装饰器链中的流对象的read()方法来读取数据。
• 写入数据：使用装饰器链中的流对象的write()方法来写入数据。
• 关闭流：使用装饰器链中的流对象的close()方法来关闭流。

4.3 动态添加和移除装饰器

  使用装饰器模式，我们可以动态地添加和移除装饰器，以实现不同的功能组合。

import java.io.*;

public class DynamicDecoratorExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 创建基础字节输入流
            InputStream inputStream = new FileInputStream("input.txt");

            // 创建装饰器链
            InputStream decoratedInputStream = new BufferedInputStream(inputStream);

            // 动态添加装饰器
            if (shouldCompress()) {
                decoratedInputStream = new GZIPInputStream(decoratedInputStream);
            }

            // 使用装饰器链读取数据
            int data = decoratedInputStream.read();
            while (data != -1) {
                System.out.print((char) data);
                data = decoratedInputStream.read();
            }

            // 关闭流
            decoratedInputStream.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static boolean shouldCompress() {
        // 根据条件判断是否需要压缩数据
        return true;
    }
}

总结

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  装饰器模式在IO流中的应用具有以下优势：

• 灵活性：装饰器模式允许动态地添加或移除装饰器，而不需要修改原始对象或其他装饰器。这使得我们可以根据需求灵活地组合和定制IO流的功能。
• 可扩展性：通过创建新的装饰器类，我们可以方便地添加新的功能或修改现有功能。这使得我们可以根据需要扩展IO流的功能，而不会影响到其他部分的代码。
• 单一职责原则：装饰器模式使得每个装饰器只关注特定的功能，从而遵循了单一职责原则。这使得代码更加清晰和可维护。