Decorater装饰模式

1. 前言

1.1 “单一职责”模式

在软件组件的设计中，如果责任划分的不清晰，使用继承得到的结果往往是随着需求的变化，子类急剧膨胀，同时充斥着重复代码，这时候的关键是划清责任。

1.2 典型模式

Decorator
Bridge

先看Decorator设计模式。

先记住这句话：解决“主体类在多个方向上的扩展功能”。

2. Motivation

在某些情况下我们可能会“过度地使用继承来扩展对象的功能”，由于继承为类型引入的静态特质，使得这种扩展方式缺乏灵活性；并且随着子类的增多（扩展功能的增多），各种子类的组合（扩展功能的组合）会导致更多子类的膨胀。

划重点 ->扩展功能<- 会导致子类的膨胀。

主要问题出现在，当对同一个基类继承下来的不同类的功能进行扩展时，如果功能类型，会导致代码的大量重复。

提出问题：

如何使“对象功能的扩展”能够根据需要来动态地实现？同时避免“扩展功能的增多”带来的子类膨胀问题？从而使得任何“功能扩展变化”所导致的影响将为最低？

3. Show Me The Code

3.1 初始代码

细读代码：

//业务操作
//基类，定义了主要的几个功能
class Stream{
public：
    virtual char Read(int number)=0;
    virtual void Seek(int position)=0;
    virtual void Write(char data)=0;

    virtual ~Stream(){}
};

//三个主体类
class FileStream: public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位文件流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写文件流
    }

};

class NetworkStream :public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读网络流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位网络流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写网络流
    }
    
};

class MemoryStream :public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读内存流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位内存流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写内存流
    }
    
};

//对不同的主体类进行扩展操作
class CryptoFileStream :public FileStream{
public:
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        FileStream::Read(number);//读文件流

    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        FileStream::Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        FileStream::Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};

class CryptoNetworkStream : :public NetworkStream{
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        NetworkStream::Read(number);//读网络流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        NetworkStream::Seek(position);//定位网络流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        NetworkStream::Write(data);//写网络流
        //额外的加密操作...
    }
};

class CryptoMemoryStream : public MemoryStream{
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        MemoryStream::Read(number);//读内存流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        MemoryStream::Seek(position);//定位内存流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        MemoryStream::Write(data);//写内存流
        //额外的加密操作...
    }
};

class BufferedFileStream : public FileStream{
    //...
};

class BufferedNetworkStream : public NetworkStream{
    //...
};

class BufferedMemoryStream : public MemoryStream{
    //...
}



//两个业务功能的组合
class CryptoBufferedFileStream :public FileStream{
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        //额外的缓冲操作...
        FileStream::Read(number);//读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        //额外的缓冲操作...
        FileStream::Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
        //额外的缓冲操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        //额外的缓冲操作...
        FileStream::Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
        //额外的缓冲操作...
    }
};



void Process(){

        //编译时装配
    CryptoFileStream *fs1 = new CryptoFileStream();

    BufferedFileStream *fs2 = new BufferedFileStream();

    CryptoBufferedFileStream *fs3 =new CryptoBufferedFileStream();

}

先把这三个类拿出来具体分析一下

//对不同的主体类进行扩展操作
class CryptoFileStream :public FileStream{
public:
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        FileStream::Read(number);//读文件流

    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        FileStream::Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        FileStream::Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};

class CryptoNetworkStream : :public NetworkStream{
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        NetworkStream::Read(number);//读网络流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        NetworkStream::Seek(position);//定位网络流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        NetworkStream::Write(data);//写网络流
        //额外的加密操作...
    }
};

class CryptoMemoryStream : public MemoryStream{
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        MemoryStream::Read(number);//读内存流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        MemoryStream::Seek(position);//定位内存流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        MemoryStream::Write(data);//写内存流
        //额外的加密操作...
    }
};

观察发现这三个类的内部具体操作类似。只是调用了不同父类的方法。出现了代码冗余问题。

3.2 解决问题第一步，组合大于继承

之前有一个很重要的原则，组合优于继承。在这里来一波大变戏法，去掉继承，以字段形式出现

去掉继承，以字段形式出现。

class CryptoFileStream {   //去掉继承:public FileStream
//以字段形式出现
protected:
    FileStream* Stream;

public:
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        //这里，以Stream替换FileStream；
        //FileStream::Read(number);//读文件流
        Stream->Read(number);
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        //同样替换
        Stream->Seek(position);
        //FileStream::Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        //替换
        Stream->Write(data);
        //FileStream::Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};

剩下的两个类也是如此，进行字段的组合；

3.3 进一步改进，以父类指针指向子类对象

FileStream* Stream; -----> Stream* Stream; // = new FileStream();

把编译时转变成运行时！！！

如此一来，代码得到了进一步的简化浓缩。且三个类都有着一模一样的结构。

好了，那把剩下的两段代码删除。同理，BufferedStream也是如此

//扩展操作
class CryptoStream: public Stream {  //这里加上继承Stream是为了完成virtual虚函数的接口规范
    
    Stream* stream;//...

public:
    //创建构造器，识别传入的类型。
    CryptoStream(Stream* stm):stream(stm){
    
    }
    
    
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream->Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream->Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};



class BufferedStream : public Stream{
    
    Stream* stream;//...
    
public:
    BufferedStream(Stream* stm):stream(stm){
        
    }
    //...
};

此时，问题已经得到了极大的改善，这个时候来看一下，一直说的运行时编译应该怎么处理。

对比一下，先看原来的版本：

void Process(){

    //编译时装配
    CryptoFileStream *fs1 = new CryptoFileStream();

    BufferedFileStream *fs2 = new BufferedFileStream();

    CryptoBufferedFileStream *fs3 =new CryptoBufferedFileStream();

}

再看多态的版本：通过组合的方式将他们装配起来
此处再次加深一下印象：组合优于继承

void Process(){

    //运行时装配
    FileStream* s1=new FileStream();
    CryptoStream* s2=new CryptoStream(s1);

    BufferedStream* s3=new BufferedStream(s1);

    BufferedStream* s4=new BufferedStream(s2);

}

3.4 提取共同代码，创建中间件接口

再看：CryptoStream与BufferedStream都有着同样的字段Stream* stream;,那么问题来了，能不能再次优化呢，把他放到父类（Stream）中？

可是三个主体类似乎也用不上这段代码，直接加给Stream类似乎不大合适。


class DecoratorStream: public Stream{
protected:
    Stream* stream;//...
    
    DecoratorStream(Stream * stm):stream(stm){
    
    }
    
};

创建一个DecoratorStream作为中间件接口，承上启下。

那么下面的代码也要修改：class CryptoStream: public Stream { ... } --->class CryptoStream: public DecoratorStream { ... }

现在基本上就完工了，看一下完整的代码：

//业务操作
class Stream{

public：
    virtual char Read(int number)=0;
    virtual void Seek(int position)=0;
    virtual void Write(char data)=0;
    
    virtual ~Stream(){}
};

//主体类
class FileStream: public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位文件流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写文件流
    }

};

class NetworkStream :public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读网络流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位网络流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写网络流
    }
    
};

class MemoryStream :public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读内存流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位内存流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写内存流
    }
    
};

//扩展操作

DecoratorStream: public Stream{
protected:
    Stream* stream;//...
    
    DecoratorStream(Stream * stm):stream(stm){
    
    }
    
};

class CryptoStream: public DecoratorStream {
 

public:
    CryptoStream(Stream* stm):DecoratorStream(stm){
    
    }
    
    
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream::Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream::Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};



class BufferedStream : public DecoratorStream{
    
    Stream* stream;//...
    
public:
    BufferedStream(Stream* stm):DecoratorStream(stm){
        
    }
    //...
};




void Process(){

    //运行时装配
    FileStream* s1=new FileStream();
    
    CryptoStream* s2=new CryptoStream(s1);
    
    BufferedStream* s3=new BufferedStream(s1);
    
    BufferedStream* s4=new BufferedStream(s2);
    
    

}

这个Decorater装饰模式很有意思，教会我很多不一样的东西，打开了新世界的大门，还需要再仔细琢磨琢磨。

好处：重构后的代码极大的缓解了代码冗余以及多余类的创建，毫不夸张的说，当工程量巨大时，可以有效缩减上百倍的class数目。
这一切，不得不再提一遍：组合优于继承。

4. 模式定义

动态（组合）地给一个对象增加一些额外的职责。就增加功能而言，Decorator模式比生成子类（继承）更为灵活（消除重复代码 & 减少子类个数）。 ——《设计模式》GoF

5. 类图

在这里插入图片描述

6.要点总结

通过采用组合而非继承的手法， Decorator模式实现了在运行时动态扩展对象功能的能力，而且可以根据需要扩展多个功能。避免了使用继承带来的“灵活性差”和“多子类衍生问题”。
Decorator类在接口上表现为is-a Component的继承关系，即 Decorator类继承了Component类所具有的接口。但在实现上又表现为has-a Component的组合关系，即Decorator类又使用了另外一个Component类。
Decorator模式的目的并非解决“多子类衍生的多继承”问题， Decorator模式应用的要点在于解决“主体类在多个方向上的扩展功能”——是为“装饰”的含义。

tiiiian

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