装饰模式(结构型)
一、概述
装饰模式是一种用于替代继承的技术，它通过一种无须定义子类的方式来给对象动态增加职责，使用对象之间的关联关系取代类之间的继承关系。在装饰模式中引入了装饰类，在装饰类中既可以调用待装饰的原有类的方法，还可以增加新的方法，以扩充原有类的功能。
1). 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，就增加对象功能来说，装饰模式比生成子类实现更为灵活。装饰模式是一种对象结构型模式。
装饰者模式结构图.png
2). 相关角色介绍
- 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。
二、设计案例
1). 案例要求
设计一个数据加密模块，可以对字符串进行加密。最简单的加密算法通过对字母进行移位来实现，同时还提供了稍复杂的其他加密方式，可提供多种加密并能随意多次进行加密。试使用装饰模式设计该多重加密系统。
2). 相关代码
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
/**
* 抽象构件：定义被装饰类与装饰类共同的接口
*/
interface Component {
public abstract String encrypt(String data);
}
/**
* 具体构件：实现接口
* 根据业务需求可以定制多个，属于一个单独变化的维度
*/
@Data
@AllArgsConstructor
class ShiftingComponent implements Component {
/**
* 简单加密算法，将字母进行移位
* @return
*/
@Override
public String encrypt(String data) {
char[] chars = data.toCharArray();
for (int i = 0, j = chars.length - 1; i < j; i++, j--) {
char temp = chars[i];
chars[i] = chars[j];
chars[j] = temp;
}
return String.valueOf(chars);
}
}
/**
* 构件装饰类：抽象装饰类，实现接口
*/
@Data
@AllArgsConstructor
abstract class Decorator implements Component {
private Component component;
@Override
public String encrypt(String data) {
return component.encrypt(data);
}
}
/**
* 具体装饰类：实现接口并进行装饰增强
*/
@Data
class AdditionDecorator extends Decorator {
public AdditionDecorator(Component component) {
super(component);
}
@Override
public String encrypt(String data) {
return this.addEncrypt(super.encrypt(data));
}
/** 装饰逻辑 */
public String addEncrypt(String data) {
char[] chars = data.toCharArray();
for (int i = 0; i < chars.length; i++) {
chars[i] = (char)((int)chars[i] + (int)chars[i]);
}
return String.valueOf(chars);
}
}
/**
* 具体装饰类：实现接口并进行装饰增强
*/
@Data
class MultiplicationDecorator extends Decorator {
public MultiplicationDecorator(Component component) {
super(component);
}
@Override
public String encrypt(String data) {
return this.multEncrypt(super.encrypt(data));
}
/** 装饰逻辑 */
public String multEncrypt(String data) {
char[] chars = data.toCharArray();
for (int i = 0; i < chars.length; i++) {
chars[i] = (char)((int)chars[i] * 3);
}
return String.valueOf(chars);
}
}
/** 客户端程序
* @author Liucheng
* @since 2019-08-08
*/
public class ClientOne {
public static void main(String[] args) {
// 多次加密
Component component = new ShiftingComponent();
Decorator decoratorAdd = new AdditionDecorator(component);
Decorator decoratorMult = new MultiplicationDecorator(decoratorAdd);
System.out.println(decoratorMult.encrypt("abcde"));
}
}
三、拓展
1). 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将对象声明为具体构件类型或具体装饰类型，而应该全部声明为抽象构件类型。对于客户端而言，具体构件对象和具体装饰对象没有任何区别。上面的案例就是透明装饰模式。
2). 半透明装饰模式
透明装饰模式的设计难度较大，而且有时我们需要单独调用新增的业务方法。为了能够调用到新增方法，我们不得不用具体装饰类型来定义装饰之后的对象，而具体构件类型还是可以使用抽象构件类型来定义，这种装饰模式即为半透明装饰模式，也就是说，对于客户端而言，具体构件类型无须关心，是透明的；但是具体装饰类型必须指定，这是不透明的, 比如上面案例中的MultiplicationDecorator方法中的multEncrypt方法或者假如其他的业务方法需要被单独调用，此时就无法完全面向抽象编程了。
四、装饰模式总结
1). 装饰模式的使用注意事项
- 尽量保持装饰类的接口与被装饰类的接口相同，这样，对于客户端而言，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。这也就是说，在可能的情况下，我们应该尽量使用透明装饰模式。
- 尽量保持具体构件类ConcreteComponent是一个“轻”类，也就是说不要把太多的行为放在具体构件类中，我们可以通过装饰类对其进行扩展。
- 如果只有一个具体构件类，那么抽象装饰类可以作为该具体构件类的直接子类。如下图
没有抽象构建的装饰模式.png
装饰模式降低了系统的耦合度，可以动态增加或删除对象的职责，并使得需要装饰的具体构件类和具体装饰类可以独立变化，以便增加新的具体构件类和具体装饰类。在软件开发中，装饰模式应用较为广泛，例如在JavaIO中的输入流和输出流的设计、javax.swing包中一些图形界面构件功能的增强等地方都运用了装饰模式。
五、优缺点以及适用场景
1). 优点
- 对于扩展一个对象的功能，装饰模式比继承更加灵活性，不会导致类的个数急剧增加。
- 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具体装饰类，从而实现不同的行为。
- 可以对一个对象进行多次装饰，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，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，原有类库代码无须改变，符合“开闭原则”。
2). 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，大量小对象的产生势必会占用更多的系统资源，在一定程序上影响程序的性能。
- 装饰模式提供了一种比继承更加灵活机动的解决方案，但同时也意味着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，较为繁琐。
3). 适用场景
- 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。
- 当不能采用继承的方式对系统进行扩展或者采用继承不利于系统扩展和维护时可以使用装饰模式。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，为支持每一种扩展或者扩展之间的组合将产生大量的子类，使得子类数目呈爆炸性增长；第二类是因为类已定义为不能被继承（如Java语言中的final类）。
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