装饰器模式：通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式
上一节说到了桥接模式，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
Java IO 类的“奇怪”用法
ava 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
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。
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？
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。
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。
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。
