Java設計模式之Decorator模式

　JDK為程序員提供了大量的類庫，而為了保持類庫的可重用性，可擴展性和靈活性，其中使用到了大量的設計模式，本文將介紹JDK的I/O包中使用到的Decorator模式，並運用此模式，實現一個新的輸出流類。

　　Decorator模式簡介

　　Decorator模式又名包裝器(Wrapper)，它的主要用途在於給一個對象動態的添加一些額外的職責。與生成子類相比，它更具有靈活性。

　　有時候，我們需要為一個對象而不是整個類添加一些新的功能，比如，給一個文本區添加一個滾動條的功能。我們可以使用繼承機制來實現這一功能，但是這種方法不夠靈活，我們無法控制文本區加滾動條的方式和時機。而且當文本區需要添加更多的功能時，比如邊框等，需要創建新的類，而當需要組合使用這些功能時無疑將會引起類的爆炸。

　　我們可以使用一種更為靈活的方法，就是把文本區嵌入到滾動條中。而這個滾動條的類就相當於對文本區的一個裝飾。這個裝飾(滾動條)必須與被裝飾的組件(文本區)繼承自同一個接口，這樣，用戶就不必關心裝飾的實現，因為這對他們來說是透明的。裝飾會將用戶的請求轉發給相應的組件(即調用相關的方法)，並可能在轉發的前後做一些額外的動作(如添加滾動條)。通過這種方法，我們可以根據組合對文本區嵌套不同的裝飾，從而添加任意多的功能。這種動態的對對象添加功能的方法不會引起類的爆炸，也具有了更多的靈活性。

　　以上的方法就是Decorator模式，它通過給對象添加裝飾來動態的添加新的功能。如下是Decorator模式的UML圖：

　　Component為組件和裝飾的公共父類，它定義了子類必須實現的方法。

　　ConcreteComponent是一個具體的組件類，可以通過給它添加裝飾來增加新的功能。

　　Decorator是所有裝飾的公共父類，它定義了所有裝飾必須實現的方法，同時，它還保存了一個對於Component的引用，以便將用戶的請求轉發給Component，並可能在轉發請求前後執行一些附加的動作。

　　ConcreteDecoratorA和ConcreteDecoratorB是具體的裝飾，可以使用它們來裝飾具體的Component。

　　Java IO包中的Decorator模式

　　JDK提供的java.io包中使用了Decorator模式來實現對各種輸入輸出流的封裝。以下將以Java.io.OutputStream及其子類為例，討論一下Decorator模式在IO中的使用。

　　首先來看一段用來創建IO流的代碼：

　　以下是代碼片段：

　try { 
　　DataOutputStream out = new DataOutputStream(new FileOutputStream(
　　"test.txt")); 
　　} catch (FileNotFoundException e) { 
　　e.printStackTrace(); 
　　}

　　這段代碼對於使用過Java輸入輸出流的人來說再熟悉不過了，我們使用DataOutputStream封裝了一個FileOutputStream。這是一個典型的Decorator模式的使用，FileOutputStream相當於Component，DataOutputStream就是一個Decorator。將代碼改成如下，將會更容易理解：

　　以下是代碼片段：

　try { 
　　OutputStream out = new FileOutputStream("test.txt"); 
　　out = new DataOutputStream(out); 
　　} catch(FileNotFoundException e) { 
　　e.printStatckTrace(); 
　　}

　　由於FileOutputStream和DataOutputStream有公共的父類OutputStream，因此對對象的裝飾對於用戶來說幾乎是透明的。下面就來看看OutputStream及其子類是如何構成Decorator模式的：

　　OutputStream是一個抽象類，它是所有輸出流的公共父類，其源代碼如下：

　　以下是代碼片段：

　　public abstract class OutputStream implements Closeable, Flushable {
　　public abstract void write(int b) throws IOException; 
　　... 
　　}

　　它定義了write(int b)的抽象方法。這相當於Decorator模式中的Component類。

　　ByteArrayOutputStream，FileOutputStream 和 PipedOutputStream 三個類都直接從OutputStream繼承，以ByteArrayOutputStream為例：

　　以下是代碼片段：

　public class ByteArrayOutputStream extends OutputStream {
　　protected byte buf[]; 
　　protected int count; 
　　public ByteArrayOutputStream() { 
　　this(32); 
　　} 
　　public ByteArrayOutputStream(int size) { 
　　if (size 〈 0) { 
　　throw new IllegalArgumentException("Negative initial size: " + size);
　　} 
　　buf = new byte[size]; 
　　} 
　　public synchronized void write(int b) { 
　　int newcount = count + 1; 
　　if (newcount 〉 buf.length) { 
　　byte newbuf[] = new byte[Math.max(buf.length 〈〈 1, newcount)];
　　System.arraycopy(buf, 0, newbuf, 0, count); 
　　buf = newbuf; 
　　} 
　　buf[count] = (byte)b; 
　　count = newcount; 
　　} 
　　... 
　　}

　　它實現了OutputStream中的write(int b)方法，因此我們可以用來創建輸出流的對象，並完成特定格式的輸出。它相當於Decorator模式中的ConcreteComponent類。

接著來看一下FilterOutputStream，代碼如下：

　　以下是代碼片段：

　public class FilterOutputStream extends OutputStream { 
　　protected OutputStream out; 
　　public FilterOutputStream(OutputStream out) { 
　　this.out = out; 
　　} 
　　public void write(int b) throws IOException { 
　　out.write(b); 
　　} 
　　... 
　　}

　　同樣，它也是從OutputStream繼承。但是，它的構造函數很特別，需要傳遞一個OutputStream的引用給它，並且它將保存對此對象的引用。而如果沒有具體的OutputStream對象存在，我們將無法創建FilterOutputStream。由於out既可以是指向FilterOutputStream類型的引用，也可以是指向ByteArrayOutputStream等具體輸出流類的引用，因此使用多層嵌套的方式，我們可以為ByteArrayOutputStream添加多種裝飾。這個FilterOutputStream類相當於Decorator模式中的Decorator類，它的write(int b)方法只是簡單的調用了傳入的流的write(int b)方法，而沒有做更多的處理，因此它本質上沒有對流進行裝飾，所以繼承它的子類必須覆蓋此方法，以達到裝飾的目的。

　　BufferedOutputStream 和 DataOutputStream是FilterOutputStream的兩個子類，它們相當於Decorator模式中的ConcreteDecorator，並對傳入的輸出流做了不同的裝飾。以BufferedOutputStream類為例：

　　以下是代碼片段：

　public class BufferedOutputStream extends FilterOutputStream {
　　... 
　　private void flushBuffer() throws IOException { 
　　if (count 〉 0) { 
　　out.write(buf, 0, count); 
　　count = 0; 
　　} 
　　} 
　　public synchronized void write(int b) throws IOException {
　　if (count 〉= buf.length) { 
　　flushBuffer(); 
　　} 
　　buf[count++] = (byte)b; 
　　} 
　　... 
　　}

　　這個類提供了一個緩存機制，等到緩存的容量達到一定的字節數時才寫入輸出流。首先它繼承了FilterOutputStream，並且覆蓋了父類的write(int b)方法，在調用輸出流寫出數據前都會檢查緩存是否已滿，如果未滿，則不寫。這樣就實現了對輸出流對象動態的添加新功能的目的。

下面，將使用Decorator模式，為IO寫一個新的輸出流。

　　自己寫一個新的輸出流

　　了解了OutputStream及其子類的結構原理後，我們可以寫一個新的輸出流，來添加新的功能。這部分中將給出一個新的輸出流的例子，它將過濾待輸出語句中的空格符號。比如需要輸出"java io OutputStream"，則過濾後的輸出為"JavaioOutputStream"。以下為SkipSpaceOutputStream類的代碼：

　　以下是代碼片段：

　　import Java.io.FilterOutputStream; 
　　import Java.io.IOException; 
　　import Java.io.OutputStream; 
　　/** 
　　* A new output stream, which will check the space character
　　* and won’t write it to the output stream. 
　　* @author Magic 
　　* 
　　*/ 
　　public class SkipSpaceOutputStream extends FilterOutputStream {
　　public SkipSpaceOutputStream(OutputStream out) { 
　　super(out); 
　　} 
　　/** 
　　* Rewrite the method in the parent class, and 
　　* skip the space character. 
　　*/ 
　　public void write(int b) throws IOException{ 
　　if(b!=’ ’){ 
　　super.write(b); 
　　} 
　　} 
　　}

　　它從FilterOutputStream繼承，並且重寫了它的write(int b)方法。在write(int b)方法中首先對輸入字符進行了檢查，如果不是空格，則輸出。

　　以下是一個測試程序：

　　以下是代碼片段：

i     mport Java.io.BufferedInputStream; 
　　import Java.io.DataInputStream; 
　　import Java.io.DataOutputStream; 
　　import Java.io.IOException; 
　　import Java.io.InputStream; 
　　import Java.io.OutputStream; 
　　/** 
　　* Test the SkipSpaceOutputStream. 
　　* @author Magic 
　　* 
　　*/ 
　　public class Test { 
　　public static void main(String[] args){ 
　　byte[] buffer = new byte[1024]; 
　　/** 
　　* Create input stream from the standard input. 
　　*/ 
　　InputStream in = new BufferedInputStream(new DataInputStream(System.in));
　　/** 
　　* write to the standard output. 
　　*/ 
　　OutputStream out = new SkipSpaceOutputStream(new DataOutputStream(System.out));
　　try { 
　　System.out.println("Please input your Words: "); 
　　int n = in.read(buffer,0,buffer.length); 
　　for(int i=0;i〈n;i++){ 
　　out.write(buffer[i]); 
　　} 
　　} catch (IOException e) { 
　　e.printStackTrace(); 
　　} 
　　} 
　　}

　　執行以上測試程序，將要求用戶在console窗口中輸入信息，程序將過濾掉信息中的空格，並將最後的結果輸出到console窗口。比如：

　　以下是引用片段：

　Please input your Words: 
　　a b c d e f 
　　abcdef

　　總 結

　　在Java.io包中，不僅OutputStream用到了Decorator設計模式，InputStream，Reader，Writer等都用到了此模式。而作為一個靈活的，可擴展的類庫，JDK中使用了大量的設計模式，比如在Swing包中的MVC模式，RMI中的Proxy模式等等。對於JDK中模式的研究不僅能加深對於模式的理解，而且還有利於更透徹的了解類庫的結構和組成。