C++设计模式：装饰器模式（四）

1、定义与动机

• 装饰器模式定义：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）。

• 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。

• 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”所导致的影响降到最低？

• 装饰器模式有一个很独特的地方：不仅继承接口（is a）、还组合接口（has a）；继承接口是为了重写接口实现接口的方法，组合是为了动态装入接口的其他子类，这样就可以轻松的实现功能拓展，但又不违背单一职责原则！

2、案例分析

• C++中的文件流对象并没有Java中的那么丰富，在Java语言中存在各种各样的流对象，基类有InputStream/OutputStream、Reader/Writer等等
• 同时派生出各种IO流类，通过不同的功能、作用、辅助分类可以分很多种：文件流、对象流、缓冲流、缓冲文件流、加密缓冲流、等等
• 如果代码都单纯的靠继承来实现Java庞大的IO流类库，工作量是非常大的。
• 导致工作量巨大的原因：单纯通过继承来实现，存在大量的CV代码

2.1、基础实现

• 普通的实现方式就是一直继承，代码无线重复的去设计实现
• 里氏替换原则：当继承基类或者父类的代码大量被重写时，继承失去其原本的意义，换句话说可以不需要继承。
• 这样设计会导致继承失去其原本的意义，因为大量的代码都被重写（违背里氏替换原则）

class Stream{
    virtual char Read(int n) = 0;
    virtual void Seek(int n) = 0;
    virtual void Write(char data) = 0;
    virtual ~Stream(){}
};
/*
 * FileStream、NetWorkStream、MemoryStream、ObjectStream...
 */
class FileStream: public Stream{
public:
    virtual char Read(int n){
        // 读文件流
    }
    virtual void Seek(int n){
        // 定位文件流
    }
    virtual void Write(char data){
        // 写文件流
    }
};

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

// CryptoFileStream、CryptoNetWorkStream、CryptoMemoryStream、CryptoObjectStream...
class CryptoFileStream: public FileStream{
public:
    virtual char Read(int n){
        // 加密
        FileStream::Read(n);
        // 加密
    }
    virtual void Seek(int n){
        // 加密
        FileStream::Seek(n);
        // 加密
    }
    virtual void Write(char data){
        // 加密
        FileStream::Write(n);
        // 加密
    }
};
class CryptoNetWorkStream: public NetWorkStream{
public:
    virtual char Read(int n){

    }
    virtual void Seek(int n){

    }
    virtual void Write(char data){

    }
};

// BufferedFileStream、BufferedNetWorkStream、BufferedMemoryStream、BufferedObjectStream...
class BufferedFileStream: public FileStream{
    // ...
};
class BufferedNetWorkStream: public NetWorkStream{
    // ...
};

// CryptoBufferedFileStream、CryptoBufferedNetWorkStream、CryptoBufferedMemoryStream、CryptoBufferedObjectStream...
class CryptoBufferedFileStream: public BufferedFileStream{
    virtual char Read(int n){
        // 加密
        // 缓存
        BufferedFileStream::Read(n);
    }
    virtual void Seek(int n){
        //...
    }
    virtual void Write(char data){
        //...
    }
};

• 而这样编写到了后期持续的扩展，类的数量指数增长，代码量急剧上升

2.2、普通装饰器

• 为了消除这些冗余的代码，可以优先考虑使用组合的形式来取代靠继承实现的这些IO流类
• 基于上述代码，只要灵活使用多态和组合就可以省略掉很多冗余的代码
  • CryptoStream类中组合一个Stream抽象类的指针，当构造CryptoStream类时可以通过传入FileStream、NetWorkStream对象来完成动态绑定，然后CryptoFileStream、CryptoNetWorkStream…其内部所有的方法都一样（因为只是基于不同的流类套了一层加密，而具体哪个流类通过Stream抽象类接口来动态绑定），因此可以代码去重。
• 因此这样就可以实现去重

class Stream{
    virtual char Read(int n) = 0;
    virtual void Seek(int n) = 0;
    virtual void Write(char data) = 0;
    virtual ~Stream(){}
};
/*
 * FileStream、NetWorkStream、MemoryStream、ObjectStream...
 */
class FileStream: public Stream{
public:
    virtual char Read(int n){
        // 读文件流
    }
    virtual void Seek(int n){
        // 定位文件流
    }
    virtual void Write(char data){
        // 写文件流
    }
};

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

// CryptoFileStream、CryptoNetWorkStream、CryptoMemoryStream、CryptoObjectStream...
class CryptoStream: public Stream{
private:
    Stream *stream;             // new FileStream()、new NetWorkStream().....
public:
    CryptoStream(Stream *_stream): stream(_stream){
        
    }
    virtual char Read(int n){
        // 加密
        stream->Read(n);
        // 加密
    }
    virtual void Seek(int n){
        // 加密
        stream->Read(n);
        // 加密
    }
    virtual void Write(char data){
        // 加密
        stream->Read(n);
        // 加密
    }
};

// BufferedFileStream、BufferedNetWorkStream、BufferedMemoryStream、BufferedObjectStream...
class BufferedStream: public Stream{
    Stream *stream;
    // ...
};

// CryptoBufferedFileStream、CryptoBufferedNetWorkStream、CryptoBufferedMemoryStream、CryptoBufferedObjectStream...
class CryptoBufferedStream: public Stream{
    Stream *stream;             //....
    virtual char Read(int n){
        // 加密
        // 缓存
    }
    virtual void Seek(int n){
        //...
    }
    virtual void Write(char data){
        //...
    }
};

void process()
{
    // 运行时装配
    FileStream fileStream = new FileStream();
    CryptoStream cryptoStream1 = new CryptoStream(new FileStream());
    CryptoStream cryptoStream2 = new CryptoStream(new NetWorkStream());
    ....    
    CryptoBufferedStream cryptoBufferedStream = new CryptoBufferedStream(new FileStream());
}

2.3、抽象装饰器

• 抽象装饰器就是在实现类和基类之间套了一个装饰器类
  • 装饰器类负责继承基类，通过多态的动态绑定来运行时确定加载某个类
  • 实现类通过继承装饰器类，调用装饰器类中的对象完成操作

class Stream{
    virtual char Read(int n) = 0;
    virtual void Seek(int n) = 0;
    virtual void Write(char data) = 0;
    virtual ~Stream(){}
};
/*
 * FileStream、NetWorkStream、MemoryStream、ObjectStream...
 */
class FileStream: public Stream{
public:
    virtual char Read(int n){
        // 读文件流
    }
    virtual void Seek(int n){
        // 定位文件流
    }
    virtual void Write(char data){
        // 写文件流
    }
};

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

class DecoratorStream: Stream{
protected:
    Stream *stream;
    DecoratorStream(Stream *_stream): stream(_stream){

    }
};

// CryptoFileStream、CryptoNetWorkStream、CryptoMemoryStream、CryptoObjectStream...
class CryptoStream: public DecoratorStream{
public:
    CryptoStream(Stream *_stream): DecoratorStream(_stream){

    }
    virtual char Read(int n){
        // 加密
        stream->Read(n);
        // 加密
    }
    virtual void Seek(int n){
        // 加密
        stream->Read(n);
        // 加密
    }
    virtual void Write(char data){
        // 加密
        stream->Read(n);
        // 加密
    }
};

// BufferedFileStream、BufferedNetWorkStream、BufferedMemoryStream、BufferedObjectStream...
class BufferedStream: public DecoratorStream{
    // ...
};

// CryptoBufferedFileStream、CryptoBufferedNetWorkStream、CryptoBufferedMemoryStream、CryptoBufferedObjectStream...
class CryptoBufferedStream: public DecoratorStream{
    virtual char Read(int n){
        // 加密
        // 缓存
    }
    virtual void Seek(int n){
        //...
    }
    virtual void Write(char data){
        //...
    }
};

void process()
{
    // 运行时装配
    FileStream fileStream = new FileStream();
    CryptoStream cryptoStream1 = new CryptoStream(new FileStream());
    CryptoStream cryptoStream2 = new CryptoStream(new NetWorkStream());
    ....
    CryptoBufferedStream cryptoBufferedStream = new CryptoBufferedStream(new FileStream());
}

4、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类所有具有的接口；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实现类。
• 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