【八】设计模式~~~结构型模式~~~装饰模式（Java）

【学习难度：★★★☆☆，使用频率：★★★☆☆】

3.1. 模式动机

一般有两种方式可以实现给一个类或对象增加行为：

继承机制，使用继承机制是给现有类添加功能的一种有效途径，通过继承一个现有类可以使得子类在拥有自身方法的同时还拥有父类的方法。但是这种方法是静态的，用户不能控制增加行为的方式和时机。
关联机制，即将一个类的对象嵌入另一个对象中，由另一个对象来决定是否调用嵌入对象的行为以便扩展自己的行为，我们称这个嵌入的对象为装饰器(Decorator)
装饰模式以对客户透明的方式动态地给一个对象附加上更多的责任，换言之，客户端并不会觉得对象在装饰前和装饰后有什么不同。装饰模式可以在不需要创造更多子类的情况下，将对象的功能加以扩展。这就是装饰模式的模式动机。

3.1.1 图形界面构件库的设计

Sunny软件公司基于面向对象技术开发了一套图形界面构件库VisualComponent，该构件库提供了大量基本构件，如窗体、文本框、列表框等，由于在使用该构件库时，用户经常要求定制一些特效显示效果，如带滚动条的窗体、带黑色边框的文本框、既带滚动条又带黑色边框的列表框等等，因此经常需要对该构件库进行扩展以增强其功能，如图12-1所示：
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图12-1 带滚动条的窗体示意图

如何提高图形界面构件库性的可扩展性并降低其维护成本是Sunny公司开发人员必须面对的一个问题。

Sunny软件公司的开发人员针对上述要求，提出了一个基于继承复用的初始设计方案，其基本结构如图12-2所示：
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图12-2中，在抽象类Component中声明了抽象方法display()，其子类Window、TextBox等实现了display()方法，可以显示最简单的控件，再通过它们的子类来对功能进行扩展，例如，在Window的子类ScrollBarWindow、BlackBorderWindow中对Window中的display()方法进行扩展，分别实现带滚动条和带黑色边框的窗体。仔细分析该设计方案，我们不难发现存在如下几个问题：

(1) 、系统扩展麻烦，在某些编程语言中无法实现。如果用户需要一个既带滚动条又带黑色边框的窗体，在图12-2中通过增加了一个新的类ScrollBarAndBlackBorderWindow来实现，该类既作为ScrollBarWindow的子类，又作为BlackBorderWindow的子类；但现在很多面向对象编程语言，如Java、C#等都不支持多重类继承，因此在这些语言中无法通过继承来实现对来自多个父类的方法的重用。此外，如果还需要扩展一项功能，例如增加一个透明窗体类TransparentWindow，它是Window类的子类，可以将一个窗体设置为透明窗体，现在需要一个同时拥有三项功能（带滚动条、带黑色边框、透明）的窗体，必须再增加一个类作为三个窗体类的子类，这同样在Java等语言中无法实现。系统在扩展时非常麻烦，有时候甚至无法实现。
(2)、代码重复。从图12-2中我们可以看出，不只是窗体需要设置滚动条，文本框、列表框等都需要设置滚动条，因此在ScrollBarWindow、ScrollBarTextBox和ScrollBarListBox等类中都包含用于增加滚动条的方法setScrollBar()，该方法的具体实现过程基本相同，代码重复，不利于对系统进行修改和维护。

(3)、系统庞大，类的数目非常多。如果增加新的控件或者新的扩展功能系统都需要增加大量的具体类，这将导致系统变得非常庞大。在图12-2中，3种基本控件和2种扩展方式需要定义9个具体类；如果再增加一个基本控件还需要增加3个具体类；增加一种扩展方式则需要增加更多的类，如果存在3种扩展方式，对于每一个控件而言，需要增加7个具体类，因为这3种扩展方式存在7种组合关系（大家自己分析为什么需要7个类？）。

总之，图12-2不是一个好的设计方案，怎么办？如何让系统中的类可以进行扩展但是又不会导致类数目的急剧增加？不用着急，让我们先来分析为什么这个设计方案会存在如此多的问题。根本原因在于复用机制的不合理，图12-2采用了继承复用，例如在ScrollBarWindow中需要复用Window类中定义的display()方法，同时又增加新的方法setScrollBar()，ScrollBarTextBox和ScrollBarListBox都必须做类似的处理，在复用父类的方法后再增加新的方法来扩展功能。根据“合成复用原则”，在实现功能复用时，我们要多用关联，少用继承，因此我们可以换个角度来考虑，将setScrollBar()方法抽取出来，封装在一个独立的类中，在这个类中定义一个Component类型的对象，通过调用Component的display()方法来显示最基本的构件，同时再通过setScrollBar()方法对基本构件的功能进行增强。由于Window、ListBox和TextBox都是Component的子类，根据“里氏代换原则”，程序在运行时，我们只要向这个独立的类中注入具体的Component子类的对象即可实现功能的扩展。这个独立的类一般称为装饰器(Decorator)或装饰类，顾名思义，它的作用就是对原有对象进行装饰，通过装饰来扩展原有对象的功能。

3.2. 模式定义

装饰模式(Decorator Pattern) ：动态地给一个对象增加一些额外的职责(Responsibility)，就增加对象功能来说，装饰模式比生成子类实现更为灵活。其别名也可以称为包装器(Wrapper)，与适配器模式的别名相同，但它们适用于不同的场合。根据翻译的不同，装饰模式也有人称之为“油漆工模式”，它是一种对象结构型模式。

3.3. 模式结构

装饰模式包含如下角色：

Component: 抽象构件，它是具体构件和抽象装饰类的共同父类，声明了在具体构件中实现的业务方法，它的引入可以使客户端以一致的方式处理未被装饰的对象以及装饰之后的对象，实现客户端的透明操作。
ConcreteComponent: 具体构件，它是抽象构件类的子类，用于定义具体的构件对象，实现了在抽象构件中声明的方法，装饰器可以给它增加额外的职责（方法）。
Decorator: 抽象装饰类，它也是抽象构件类的子类，用于给具体构件增加职责，但是具体职责在其子类中实现。它维护一个指向抽象构件对象的引用，通过该引用可以调用装饰之前构件对象的方法，并通过其子类扩展该方法，以达到装饰的目的。
ConcreteDecorator: 具体装饰类，它是抽象装饰类的子类，负责向构件添加新的职责。每一个具体装饰类都定义了一些新的行为，它可以调用在抽象装饰类中定义的方法，并可以增加新的方法用以扩充对象的行为。

由于具体构件类和装饰类都实现了相同的抽象构件接口，因此装饰模式以对客户透明的方式动态地给一个对象附加上更多的责任，换言之，客户端并不会觉得对象在装饰前和装饰后有什么不同。装饰模式可以在不需要创造更多子类的情况下，将对象的功能加以扩展。

装饰模式的核心在于抽象装饰类的设计，其典型代码如下所示：

class Decorator implements Component{private Component component;  //维持一个对抽象构件对象的引用public Decorator(Component component)  //注入一个抽象构件类型的对象{this.component=component;}public void operation(){component.operation();  //调用原有业务方法}}

在抽象装饰类Decorator中定义了一个Component类型的对象component，维持一个对抽象构件对象的引用，并可以通过构造方法或Setter方法将一个Component类型的对象注入进来，同时由于Decorator类实现了抽象构件Component接口，因此需要实现在其中声明的业务方法operation()，需要注意的是在Decorator中并未真正实现operation()方法，而只是调用原有component对象的operation()方法，它没有真正实施装饰，而是提供一个统一的接口，将具体装饰过程交给子类完成。

在Decorator的子类即具体装饰类中将继承operation()方法并根据需要进行扩展，典型的具体装饰类代码如下：

class ConcreteDecorator extends Decorator{public ConcreteDecorator(Component  component){super(component);}public void operation(){super.operation();  //调用原有业务方法addedBehavior();  //调用新增业务方法}//新增业务方法public  void addedBehavior(){    ……
}}

在具体装饰类中可以调用到抽象装饰类的operation()方法，同时可以定义新的业务方法，如addedBehavior()。

由于在抽象装饰类Decorator中注入的是Component类型的对象，因此我们可以将一个具体构件对象注入其中，再通过具体装饰类来进行装饰；此外，我们还可以将一个已经装饰过的Decorator子类的对象再注入其中进行多次装饰，从而对原有功能的多次扩展。

3.4. 时序图

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3.5. 代码分析

3.6. 模式分析

与继承关系相比，关联关系的主要优势在于不会破坏类的封装性，而且继承是一种耦合度较大的静态关系，无法在程序运行时动态扩展。在软件开发阶段，关联关系虽然不会比继承关系减少编码量，但是到了软件维护阶段，由于关联关系使系统具有较好的松耦合性，因此使得系统更加容易维护。当然，关联关系的缺点是比继承关系要创建更多的对象。
使用装饰模式来实现扩展比继承更加灵活，它以对客户透明的方式动态地给一个对象附加更多的责任。装饰模式可以在不需要创造更多子类的情况下，将对象的功能加以扩展。

3.7. 实例

完整解决方案
为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性，克服继承复用所带来的问题，Sunny公司开发人员使用装饰模式来重构图形界面构件库的设计，其中部分类的基本结构如图12-4所示：
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3.7.1 生产

在图12-4中，Component充当抽象构件类，其子类Window、TextBox、ListBox充当具体构件类，Component类的另一个子类ComponentDecorator充当抽象装饰类，ComponentDecorator的子类ScrollBarDecorator和BlackBorderDecorator充当具体装饰类。完整代码如下所示：

package com.zyz.demo;/*** @author zyz* @version 1.0* @data 2023/5/15 13:58* @Description:*///抽象界面构件类：抽象构件类，为了突出与模式相关的核心代码，对原有控件代码进行了大量的简化abstract class Component {public abstract void display();
}//窗体类：具体构件类class Window extends Component {@Overridepublic void display() {System.out.println("显示窗体！");}
}//文本框类：具体构件类class TextBox extends Component {@Overridepublic void display() {System.out.println("显示文本框！");}
}//列表框类：具体构件类class ListBox extends Component {@Overridepublic void display() {System.out.println("显示列表框！");}
}//构件装饰类：抽象装饰类class ComponentDecorator extends Component {private Component component; //维持对抽象构建类型对象的引用public ComponentDecorator(Component component) {  //注入抽象构建类型的对象this.component = component;}@Overridepublic void display() {component.display();}
}//滚动条装饰类：具体装饰类class ScrollBarDecorator extends ComponentDecorator {public ScrollBarDecorator(Component component) {super(component);}@Overridepublic void display() {this.setScrollBar();super.display();}public void setScrollBar() {System.out.println("为构件增加滚动条！");}
}//黑色边框装饰类：具体装饰类class BlackBorderDecorator extends ComponentDecorator {public BlackBorderDecorator(Component component) {super(component);}@Overridepublic void display() {this.setBlackBorder();super.display();}public void setBlackBorder() {System.out.println("为构件增加黑色边框！");}}

3.7.2 客户端

编写如下客户端测试代码：

package com.zyz.demo;/*** @author zyz* @version 1.0* @data 2023/5/15 16:51* @Description:*/
public class Client {public static void main(String[] args) {Component component ,componentSB;   //使用抽象构件定义component = new Window();   //定义具体构件componentSB = new ScrollBarDecorator(component);//定义装饰后的构件componentSB.display();}
}

3.7.3 结果

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3.7.4 客户端2

在客户端代码中，我们先定义了一个Window类型的具体构件对象component，然后将component作为构造函数的参数注入到具体装饰类ScrollBarDecorator中，得到一个装饰之后对象componentSB，再调用componentSB的display()方法后将得到一个有滚动条的窗体。如果我们希望得到一个既有滚动条又有黑色边框的窗体，不需要对原有类库进行任何修改，只需将客户端代码修改为如下所示：

package com.zyz.demo;/*** @author zyz* @version 1.0* @data 2023/5/15 17:10* @Description:*/
public class Client1 {public static void main(String[] args) {Component component,component1,component2;component = new Window();component1 = new ScrollBarDecorator(component);component2 = new BlackBorderDecorator(component1);component2.display();}
}

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我们可以将装饰了一次之后的component1对象注入另一个装饰类BlackBorderDecorator中实现第二次装饰，得到一个经过两次装饰的对象component2，再调用component2的display()方法即可得到一个既有滚动条又有黑色边框的窗体。

如果需要在原有系统中增加一个新的具体构件类或者新的具体装饰类，无须修改现有类库代码，只需将它们分别作为抽象构件类或者抽象装饰类的子类即可。与图12-2所示的继承结构相比，使用装饰模式之后将大大减少了子类的个数，让系统扩展起来更加方便，而且更容易维护，是取代继承复用的有效方式之一。

3.8. 优点

装饰模式的优点:

装饰模式与继承关系的目的都是要扩展对象的功能，但是装饰模式可以提供比继承更多的灵活性。
可以通过一种动态的方式来扩展一个对象的功能，通过配置文件可以在运行时选择不同的装饰器，从而实现不同的行为。
通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合，可以创造出很多不同行为的组合。可以使用多个具体装饰类来装饰同一对象，得到功能更为强大的对象。
具体构件类与具体装饰类可以独立变化，用户可以根据需要增加新的具体构件类和具体装饰类，在使用时再对其进行组合，原有代码无须改变，符合“开闭原则”

3.9. 缺点

装饰模式的缺点:

使用装饰模式进行系统设计时将产生很多小对象，这些对象的区别在于它们之间相互连接的方式有所不同，而不是它们的类或者属性值有所不同，同时还将产生很多具体装饰类。这些装饰类和小对象的产生将增加系统的复杂度，加大学习与理解的难度。
这种比继承更加灵活机动的特性，也同时意味着装饰模式比继承更加易于出错，排错也很困难，对于多次装饰的对象，调试时寻找错误可能需要逐级排查，较为烦琐。

3.10. 适用环境

在以下情况下可以使用装饰模式：

在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责。
需要动态地给一个对象增加功能，这些功能也可以动态地被撤销。
当不能采用继承的方式对系统进行扩充或者采用继承不利于系统扩展和维护时。不能采用继承的情况主要有两类：第一类是系统中存在大量独立的扩展，为支持每一种组合将产生大量的子类，使得子类数目呈爆炸性增长；第二类是因为类定义不能继承（如final类）.

3.11. 模式应用

3.12. 模式扩展

装饰模式的简化-需要注意的问题:

一个装饰类的接口必须与被装饰类的接口保持相同，对于客户端来说无论是装饰之前的对象还是装饰之后的对象都可以一致对待。
尽量保持具体构件类Component作为一个“轻”类，也就是说不要把太多的逻辑和状态放在具体构件类中，可以通过装饰类
对其进行扩展。 - 如果只有一个具体构件类而没有抽象构件类，那么抽象装饰类可以作为具体构件类的直接子类。

3.13. 总结

装饰模式用于动态地给一个对象增加一些额外的职责，就增加对象功能来说，装饰模式比生成子类实现更为灵活。它是一种对象结构型模式。
装饰模式包含四个角色：抽象构件定义了对象的接口，可以给这些对象动态增加职责（方法）；具体构件定义了具体的构件对象，实现了在抽象构件中声明的方法，装饰器可以给它增加额外的职责（方法）；抽象装饰类是抽象构件类的子类，用于给具体构件增加职责，但是具体职责在其子类中实现；具体装饰类是抽象装饰类的子类，负责向构件添加新的职责。
使用装饰模式来实现扩展比继承更加灵活，它以对客户透明的方式动态地给一个对象附加更多的责任。装饰模式可以在不需要创造更多子类的情况下，将对象的功能加以扩展。
装饰模式的主要优点在于可以提供比继承更多的灵活性，可以通过一种动态的方式来扩展一个对象的功能，并通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合，可以创造出很多不同行为的组合，而且具体构件类与具体装饰类可以独立变化，用户可以根据需要增加新的具体构件类和具体装饰类；其主要缺点在于使用装饰模式进行系统设计时将产生很多小对象，而且装饰模式比继承更加易于出错，排错也很困难，对于多次装饰的对象，调试时寻找错误可能需要逐级排查，较为烦琐。
装饰模式适用情况包括：在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责；需要动态地给一个对象增加功能，这些功能也可以动态地被撤销；当不能采用继承的方式对系统进行扩充或者采用继承不利于系统扩展和维护时。
装饰模式可分为透明装饰模式和半透明装饰模式：在透明装饰模式中，要求客户端完全针对抽象编程，装饰模式的透明性要求客户端程序不应该声明具体构件类型和具体装饰类型，而应该全部声明为抽象构件类型；半透明装饰模式允许用户在客户端声明具体装饰者类型的对象，调用在具体装饰者中新增的方法。