50 | 装饰器模式：通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式

王争 2020-02-26

50 - 图1

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讲述：冯永吉大小：6.66M时长：08:18

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：

50 - 图2

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：

50 - 图3

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。

39人觉得很赞给文章提建议;)

50 - 图4

50 - 图5

张创琦

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精选留言(111)

下雨天
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。
2020-02-26
_31
_427
小晏子
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。
2020-02-26
_7
_234
Jxin
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。
2020-02-26
_11
_118
守拙
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
2020-02-26
_3
_74
andi轩
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。
2020-04-15
_6
_35
rammelzzz
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。
2020-02-26
_2
_30
Yo nací para quererte.
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。
2020-02-26
_3
_28
李小四
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。
2020-03-07

__16
岁月神偷
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。
2020-02-27
_1
_14
万历十五年
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。
作者回复: 嗯嗯 ��
2020-11-25
_1
_11
iLeGeND
// 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
2020-02-26
_5
_10
唐朝农民
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
2020-02-26
_2
_8
年轻的我们
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
2020-03-08
_2
_4
松花皮蛋me
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。