02-设计模式之结构型模式

结构型模式是用来设计程序的结构的。结构型模式就像搭积木,将不同的类结合在一起形成契合的结构。包括以下几种:

  • 适配器模式
  • 桥接模式
  • 组合模式(不常用)
  • 装饰模式
  • 外观模式(不常用)
  • 享元模式(不常用)
  • 代理模式

1、适配器模式

说到适配器,我们最熟悉的莫过于电源适配器了,也就是手机的充电头。它就是适配器模式的一个应用。

试想一下,你有一条连接电脑和手机的 USB 数据线,连接电脑的一端从电脑接口处接收 5V 的电压,连接手机的一端向手机输出 5V 的电压,并且他们工作良好。

中国的家用电压都是 220V,所以 USB 数据线不能直接拿来给手机充电,这时候我们有两种方案:

  • 单独制作手机充电器,接收 220V 家用电压,输出 5V 电压。
  • 添加一个适配器,将 220V 家庭电压转化为类似电脑接口的 5V 电压,再连接数据线给手机充电。

如果你使用过早期的手机,就会知道以前的手机厂商采用的就是第一种方案:早期的手机充电器都是单独制作的,充电头和充电线是连在一起的。现在的手机都采用了电源适配器加数据线的方案。这是生活中应用适配器模式的一个进步。

适配器模式:将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口,使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类能一起工作。

适配的意思是适应、匹配。通俗地讲,适配器模式适用于 有相关性但不兼容的结构,源接口通过一个中间件转换后才可以适用于目标接口,这个转换过程就是适配,这个中间件就称之为适配器。

家用电源和 USB 数据线有相关性:家用电源输出电压,USB 数据线输入电压。但两个接口无法兼容,因为一个输出 220V,一个输入 5V,通过适配器将输出 220V 转换成输出 5V 之后才可以一起工作。

让我们用程序来模拟一下这个过程。

首先,家庭电源提供 220V 的电压:

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class HomeBattery {
int supply() {
// 家用电源提供一个 220V 的输出电压
return 220;
}
}

USB 数据线只接收 5V 的充电电压:

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class USBLine {
void charge(int volt) {
// 如果电压不是 5V,抛出异常
if (volt != 5) throw new Il legalArgumentException("只能接收 5V 电压");
// 如果电压是 5V,正常充电
System.out.println("正常充电");
}
}

先来看看适配之前,用户如果直接用家庭电源给手机充电:

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public class User {
@Test
public void chargeForPhone() {
HomeBattery homeBattery = new HomeBattery();
int homeVolt = homeBattery.supply();
System.out.println("家庭电源提供的电压是 " + homeVolt + "V");

USBLine usbLine = new USBLine();
usbLine.charge(homeVolt);
}
}

运行程序,输出如下:

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家庭电源提供的电压是 220V
java.lang.IllegalArgumentException: 只能接收 5V 电压

这时,我们加入电源适配器:

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class Adapter {
int convert(int homeVolt) {
// 适配过程:使用电阻、电容等器件将其降低为输出 5V
int chargeVolt = homeVolt - 215;
return chargeVolt;
}
}

然后,用户再使用适配器将家庭电源提供的电压转换为充电电压:

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public class User {
@Test
public void chargeForPhone() {
HomeBattery homeBattery = new HomeBattery();
int homeVolt = homeBattery.supply();
System.out.println("家庭电源提供的电压是 " + homeVolt + "V");

Adapter adapter = new Adapter();
int chargeVolt = adapter.convert(homeVolt);
System.out.println("使用适配器将家庭电压转换成了 " + chargeVolt + "V");

USBLine usbLine = new USBLine();
usbLine.charge(chargeVolt);
}
}

运行程序,输出如下:

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家庭电源提供的电压是 220V
使用适配器将家庭电压转换成了 5V
正常充电

这就是适配器模式。在我们日常的开发中经常会使用到各种各样的 Adapter,都属于适配器模式的应用。

但适配器模式并不推荐多用。因为未雨绸缪好过亡羊补牢,如果事先能预防接口不同的问题,不匹配问题就不会发生,只有遇到源接口无法改变时,才应该考虑使用适配器。比如现代的电源插口中很多已经增加了专门地充电接口,让我们不需要再使用适配器转换接口,这又是社会的一个进步。

2、桥接模式

考虑这样一个需求:绘制矩形、圆形、三角形这三种图案。按照面向对象的理念,我们至少需要三个具体类,对应三种不同的图形。

抽象接口 IShape:

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public interface IShape {
void draw();
}

三个具体形状类:

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class Rectangle implements IShape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("绘制矩形");
}
}
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class Round implements IShape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("绘制圆形");
}
}
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class Triangle implements IShape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("绘制三角形");
}
}

接下来我们有了新的需求,每种形状都需要有四种不同的颜色:红、蓝、黄、绿。

这时我们很容易想到两种设计方案:

  • 为了复用形状类,将每种形状定义为父类,每种不同颜色的图形继承自其形状父类。此时一共有 12 个类。
  • 为了复用颜色类,将每种颜色定义为父类,每种不同颜色的图形继承自其颜色父类。此时一共有 12 个类。

乍一看没什么问题,我们使用了面向对象的继承特性,复用了父类的代码并扩展了新的功能。

但仔细想一想,如果以后要增加一种颜色,比如黑色,那么我们就需要增加三个类;如果再要增加一种形状,我们又需要增加五个类,对应 5 种颜色。

更不用说遇到增加 20 个形状,20 种颜色的需求,不同的排列组合将会使工作量变得无比的庞大。看来我们不得不重新思考设计方案。

形状和颜色,都是图形的两个属性。他们两者的关系是平等的,所以不属于继承关系。更好的的实现方式是:将形状和颜色分离,根据需要对形状和颜色进行组合,这就是桥接模式的思想。

桥接模式:将抽象部分与它的实现部分分离,使它们都可以独立地变化。它是一种对象结构型模式,又称为柄体模式或接口模式。

官方定义非常精准、简练,但却有点不易理解。通俗地说,如果一个对象有两种或者多种分类方式,并且两种分类方式都容易变化,比如本例中的形状和颜色。这时使用继承很容易造成子类越来越多,所以更好的做法是把这种分类方式分离出来,让他们独立变化,使用时将不同的分类进行组合即可。

说到这里,不得不提一个设计原则:合成/聚合复用原则。虽然它没有被划分到六大设计原则中,但它在面向对象的设计中也非常重要。

合成/聚合复用原则:优先使用合成/聚合,而不是类继承。

继承虽然是面向对象的三大特性之一,但继承会导致子类与父类有非常紧密的依赖关系,它会限制子类的灵活性和子类的复用性。而使用合成/聚合,也就是使用接口实现的方式,就不存在依赖问题,一个类可以实现多个接口,可以很方便地拓展功能。

让我们一起来看一下本例使用桥接模式的程序实现:

新建接口类 IColor,仅包含一个获取颜色的方法:

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public interface IColor {
String getColor();
}

每种颜色都实现此接口:

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public class Red implements IColor {
@Override
public String getColor() {
return "红";
}
}
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public class Blue implements IColor {
@Override
public String getColor() {
return "蓝";
}
}
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public class Yellow implements IColor {
@Override
public String getColor() {
return "黄";
}
}
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public class Green implements IColor {
@Override
public String getColor() {
return "绿";
}
}

在每个形状类中,桥接 IColor 接口:

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class Rectangle implements IShape {

private IColor color; // 桥接 IColor 接口

void setColor(IColor color) {
this.color = color;
}

@Override
public void draw() {
System.out.println("绘制" + color.getColor() + "矩形");
}
}
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class Round implements IShape {

private IColor color; // 桥接 IColor 接口

void setColor(IColor color) {
this.color = color;
}

@Override
public void draw() {
System.out.println("绘制" + color.getColor() + "圆形");
}
}
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class Triangle implements IShape {

private IColor color; // 桥接 IColor 接口

void setColor(IColor color) {
this.color = color;
}

@Override
public void draw() {
System.out.println("绘制" + color.getColor() + "三角形");
}
}

测试函数:

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@Test
public void drawTest() {
Rectangle rectangle = new Rectangle();
rectangle.setColor(new Red());
rectangle.draw();

Round round = new Round();
round.setColor(new Blue());
round.draw();

Triangle triangle = new Triangle();
triangle.setColor(new Yellow());
triangle.draw();
}

运行程序,输出如下:

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绘制红矩形
绘制蓝圆形
绘制黄三角形

这时我们再来回顾一下官方定义:将抽象部分与它的实现部分分离,使它们都可以独立地变化。抽象部分指的是父类,对应本例中的形状类,实现部分指的是不同子类的区别之处。将子类的区别方式 —— 也就是本例中的颜色 —— 分离成接口,通过组合的方式桥接颜色和形状,这就是桥接模式,它主要用于 两个或多个同等级的接口

3、组合模式(不常用)

上文说到,桥接模式用于将同等级的接口互相组合,那么组合模式和桥接模式有什么共同点吗?

事实上组合模式和桥接模式的组合完全不一样。组合模式用于 整体与部分的结构,当整体与部分有相似的结构,在操作时可以被一致对待时,就可以使用组合模式。例如:

  • 文件夹和子文件夹的关系:文件夹中可以存放文件,也可以新建文件夹,子文件夹也一样。
  • 总公司子公司的关系:总公司可以设立部门,也可以设立分公司,子公司也一样。
  • 树枝和分树枝的关系:树枝可以长出叶子,也可以长出树枝,分树枝也一样。

在这些关系中,虽然整体包含了部分,但无论整体或部分,都具有一致的行为。

组合模式:又叫部分整体模式,是用于把一组相似的对象当作一个单一的对象。组合模式依据树形结构来组合对象,用来表示部分以及整体层次。这种类型的设计模式属于结构型模式,它创建了对象组的树形结构。

考虑这样一个实际应用:设计一个公司的人员分布结构,结构如下图所示。

我们注意到人员结构中有两种结构,一是管理者,如老板,PM,CFO,CTO,二是职员。其中有的管理者不仅仅要管理职员,还会管理其他的管理者。这就是一个典型的整体与部分的结构。

3.1、不使用组合模式的设计方案

要描述这样的结构,我们很容易想到以下设计方案:

新建管理者类:

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public class Manager {
// 职位
private String position;
// 工作内容
private String job;
// 管理的管理者
private List<Manager> managers = new ArrayList<>();
// 管理的职员
private List<Employee> employees = new ArrayList<>();

public Manager(String position, String job) {
this.position = position;
this.job = job;
}

public void addManager(Manager manager) {
managers.add(manager);
}

public void removeManager(Manager manager) {
managers.remove(manager);
}

public void addEmployee(Employee employee) {
employees.add(employee);
}

public void removeEmployee(Employee employee) {
employees.remove(employee);
}

// 做自己的本职工作
public void work() {
System.out.println("我是" + position + ",我正在" + job);
}

// 检查下属
public void check() {
work();
for (Employee employee : employees) {
employee.work();
}
for (Manager manager : managers) {
manager.check();
}
}
}

新建职员类:

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public class Employee {
// 职位
private String position;
// 工作内容
private String job;

public Employee(String position, String job) {
this.position = position;
this.job = job;
}

// 做自己的本职工作
public void work() {
System.out.println("我是" + position + ",我正在" + job);
}
}

客户端建立人员结构关系:

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public class Client {

@Test
public void test() {
Manager boss = new Manager("老板", "唱怒放的生命");
Employee HR = new Employee("人力资源", "聊微信");
Manager PM = new Manager("产品经理", "不知道干啥");
Manager CFO = new Manager("财务主管", "看剧");
Manager CTO = new Manager("技术主管", "划水");
Employee UI = new Employee("设计师", "画画");
Employee operator = new Employee("运营人员", "兼职客服");
Employee webProgrammer = new Employee("程序员", "学习设计模式");
Employee backgroundProgrammer = new Employee("后台程序员", "CRUD");
Employee accountant = new Employee("会计", "背九九乘法表");
Employee clerk = new Employee("文员", "给老板递麦克风");
boss.addEmployee(HR);
boss.addManager(PM);
boss.addManager(CFO);
PM.addEmployee(UI);
PM.addManager(CTO);
PM.addEmployee(operator);
CTO.addEmployee(webProgrammer);
CTO.addEmployee(backgroundProgrammer);
CFO.addEmployee(accountant);
CFO.addEmployee(clerk);

boss.check();
}
}

运行测试方法,输出如下(为方便查看,添加了缩进):

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我是老板,我正在唱怒放的生命
我是人力资源,我正在聊微信
我是产品经理,我正在不知道干啥
我是设计师,我正在画画
我是运营人员,我正在兼职客服
我是技术主管,我正在划水
我是程序员,我正在学习设计模式
我是后台程序员,我正在CRUD
我是财务主管,我正在看剧
我是会计,我正在背九九乘法表
我是文员,我正在给老板递麦克风

这样我们就设计出了公司的结构,但是这样的设计有两个弊端:

  • name 字段,job 字段,work 方法重复了。
  • 管理者对其管理的管理者和职员需要区别对待。

关于第一个弊端,虽然这里为了讲解,只有两个字段和一个方法重复,实际工作中这样的整体部分结构会有相当多的重复。比如此例中还可能有工号、年龄等字段,领取工资、上下班打卡、开各种无聊地会等方法。

大量的重复显然是很丑陋的代码,分析一下可以发现, Manager 类只比 Employee 类多一个管理人员的列表字段,多几个增加 / 移除人员的方法,其他的字段和方法全都是一样的。

有读者应该会想到:我们可以将重复的字段和方法提取到一个工具类中,让 Employee 和 Manager 都去调用此工具类,就可以消除重复了。

这样固然可行,但属于 Employee 和 Manager 类自己的东西却要通过其他类调用,并不利于程序的高内聚。

关于第二个弊端,此方案无法解决,此方案中 Employee 和 Manager 类完全是两个不同的对象,两者的相似性被忽略了。

所以我们有更好的设计方案,那就是组合模式!

3.2、使用组合模式的设计方案

组合模式最主要的功能就是让用户可以一致对待整体和部分结构,将两者都作为一个相同的组件,所以我们先新建一个抽象的组件类:

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public abstract class Component {
// 职位
private String position;
// 工作内容
private String job;

public Component(String position, String job) {
this.position = position;
this.job = job;
}

// 做自己的本职工作
public void work() {
System.out.println("我是" + position + ",我正在" + job);
}

abstract void addComponent(Component component);

abstract void removeComponent(Component component);

abstract void check();
}

管理者继承自此抽象类:

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public class Manager extends Component {
// 管理的组件
private List<Component> components = new ArrayList<>();

public Manager(String position, String job) {
super(position, job);
}

@Override
public void addComponent(Component component) {
components.add(component);
}

@Override
void removeComponent(Component component) {
components.remove(component);
}

// 检查下属
@Override
public void check() {
work();
for (Component component : components) {
component.check();
}
}
}

职员同样继承自此抽象类:

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public class Employee extends Component {

public Employee(String position, String job) {
super(position, job);
}

@Override
void addComponent(Component component) {
System.out.println("职员没有管理权限");
}

@Override
void removeComponent(Component component) {
System.out.println("职员没有管理权限");
}

@Override
void check() {
work();
}
}

修改客户端如下:

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public class Client {

@Test
public void test(){
Component boss = new Manager("老板", "唱怒放的生命");
Component HR = new Employee("人力资源", "聊微信");
Component PM = new Manager("产品经理", "不知道干啥");
Component CFO = new Manager("财务主管", "看剧");
Component CTO = new Manager("技术主管", "划水");
Component UI = new Employee("设计师", "画画");
Component operator = new Employee("运营人员", "兼职客服");
Component webProgrammer = new Employee("程序员", "学习设计模式");
Component backgroundProgrammer = new Employee("后台程序员", "CRUD");
Component accountant = new Employee("会计", "背九九乘法表");
Component clerk = new Employee("文员", "给老板递麦克风");
boss.addComponent(HR);
boss.addComponent(PM);
boss.addComponent(CFO);
PM.addComponent(UI);
PM.addComponent(CTO);
PM.addComponent(operator);
CTO.addComponent(webProgrammer);
CTO.addComponent(backgroundProgrammer);
CFO.addComponent(accountant);
CFO.addComponent(clerk);

boss.check();
}
}

运行测试方法,输出结果与之前的结果一模一样。

可以看到,使用组合模式后,我们解决了之前的两个弊端。一是将共有的字段与方法移到了父类中,消除了重复,并且在客户端中,可以一致对待 Manager 和 Employee 类:

  • Manager 类和 Employee 类统一声明为 Component 对象
  • 统一调用 Component 对象的 addComponent 方法添加子对象即可。

3.3、组合模式中的安全方式与透明方式

读者可能已经注意到了,Employee 类虽然继承了父类的 addComponent 和 removeComponent 方法,但是仅仅提供了一个空实现,因为 Employee 类是不支持添加和移除组件的。这样是否违背了接口隔离原则呢?

接口隔离原则:客户端不应依赖它不需要的接口。如果一个接口在实现时,部分方法由于冗余被客户端空实现,则应该将接口拆分,让实现类只需依赖自己需要的接口方法。

答案是肯定的,这样确实违背了接口隔离原则。这种方式在组合模式中被称作透明方式.

透明方式:在 Component 中声明所有管理子对象的方法,包括 add 、remove 等,这样继承自 Component 的子类都具备了 add、remove 方法。对于外界来说叶节点和枝节点是透明的,它们具备完全一致的接口。

这种方式有它的优点:让 Manager 类和 Employee 类具备完全一致的行为接口,调用者可以一致对待它们。

但它的缺点也显而易见:Employee 类并不支持管理子对象,不仅违背了接口隔离原则,而且客户端可以用 Employee 类调用 addComponent 和 removeComponent 方法,导致程序出错,所以这种方式是不安全的。

那么我们可不可以将 addComponent 和 removeComponent 方法移到 Manager 子类中去单独实现,让 Employee 不再实现这两个方法呢?我们来尝试一下。

将抽象类修改为:

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public abstract class Component {
// 职位
private String position;
// 工作内容
private String job;

public Component(String position, String job) {
this.position = position;
this.job = job;
}

// 做自己的本职工作
public void work() {
System.out.println("我是" + position + ",我正在" + job);
}

abstract void check();
}

可以看到,我们在父类中去掉了 addComponent 和 removeComponent 这两个抽象方法。

Manager 类修改为:

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public class Manager extends Component {
// 管理的组件
private List<Component> components = new ArrayList<>();

public Manager(String position, String job) {
super(position, job);
}

public void addComponent(Component component) {
components.add(component);
}

void removeComponent(Component component) {
components.remove(component);
}

// 检查下属
@Override
public void check() {
work();
for (Component component : components) {
component.check();
}
}
}

Manager 类单独实现了 addComponent 和 removeComponent 这两个方法,去掉了 @Override 注解。

Employee 类修改为:

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public class Employee extends Component {

public Employee(String position, String job) {
super(position, job);
}

@Override
void check() {
work();
}
}

客户端建立人员结构关系:

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public class Client {

@Test
public void test(){
Manager boss = new Manager("老板", "唱怒放的生命");
Employee HR = new Employee("人力资源", "聊微信");
Manager PM = new Manager("产品经理", "不知道干啥");
Manager CFO = new Manager("财务主管", "看剧");
Manager CTO = new Manager("技术主管", "划水");
Employee UI = new Employee("设计师", "画画");
Employee operator = new Employee("运营人员", "兼职客服");
Employee webProgrammer = new Employee("程序员", "学习设计模式");
Employee backgroundProgrammer = new Employee("后台程序员", "CRUD");
Employee accountant = new Employee("会计", "背九九乘法表");
Employee clerk = new Employee("文员", "给老板递麦克风");
boss.addComponent(HR);
boss.addComponent(PM);
boss.addComponent(CFO);
PM.addComponent(UI);
PM.addComponent(CTO);
PM.addComponent(operator);
CTO.addComponent(webProgrammer);
CTO.addComponent(backgroundProgrammer);
CFO.addComponent(accountant);
CFO.addComponent(clerk);

boss.check();
}
}

运行程序,输出结果与之前一模一样。

这种方式在组合模式中称之为安全方式。

安全方式:在 Component 中不声明 add 和 remove 等管理子对象的方法,这样叶节点就无需实现它,只需在枝节点中实现管理子对象的方法即可。

安全方式遵循了接口隔离原则,但由于不够透明,Manager 和 Employee 类不具有相同的接口,在客户端中,我们无法将 Manager 和 Employee 统一声明为 Component 类了,必须要区别对待,带来了使用上的不方便。

安全方式和透明方式各有好处,在使用组合模式时,需要根据实际情况决定。但大多数使用组合模式的场景都是采用的透明方式,虽然它有点不安全,但是客户端无需做任何判断来区分是叶子结点还是枝节点,用起来是真香。

使用场景

  • 维护和展示部分-整体关系的场景,如树形菜单、文件和文件夹管理。

  • 从一个整体中能够独立出部分模块或功能的场景。

注意:只要是树形结构,就考虑使用组合模式。

4、装饰模式

提到装饰,我们先来想一下生活中有哪些装饰:

  • 女生的首饰:戒指、耳环、项链等装饰品
  • 家居装饰品:粘钩、镜子、壁画、盆栽等

我们为什么需要这些装饰品呢?很容易想到是为了美,戒指、耳环、项链、壁画、盆栽等都是为了提高颜值或增加美观度。但粘钩、镜子不一样,它们是为了方便我们挂东西、洗漱。所以我们可以总结出装饰品共有两种功能:

  • 增强原有的特性:我们本身就是有一定颜值的,添加装饰品提高了我们的颜值。同样,房屋本身就有一定的美观度,家居装饰提高了房屋的美观度。
  • 添加新的特性:在墙上挂上粘钩,让墙壁有了挂东西的功能。在洗漱台装上镜子,让洗漱台有了照镜子的功能。

并且,我们发现装饰品并不会改变物品本身,只是起到锦上添花的作用。装饰模式也一样,它的主要作用就是:

  • 增强一个类原有的功能
  • 为一个类添加新的功能

并且 装饰模式也不会改变原有的类

装饰模式: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。其别名也可以称为包装器,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”。

1、用于增强功能的装饰模式

我们用程序来模拟一下戴上装饰品提高我们颜值的过程:

新建颜值接口:

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public interface IBeauty {
int getBeautyValue();
}

新建 Me 类,实现颜值接口:

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public class Me implements IBeauty {

@Override
public int getBeautyValue() {
return 100;
}
}

戒指装饰类,将 Me 包装起来:

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public class RingDecorator implements IBeauty {
private final IBeauty me;

public RingDecorator(IBeauty me) {
this.me = me;
}

@Override
public int getBeautyValue() {
return me.getBeautyValue() + 20;
}
}

客户端测试:

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public class Client {
@Test
public void show() {
IBeauty me = new Me();
System.out.println("我原本的颜值:" + me.getBeautyValue());

IBeauty meWithRing = new RingDecorator(me);
System.out.println("戴上了戒指后,我的颜值:" + meWithRing.getBeautyValue());
}
}

运行程序,输出如下:

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我原本的颜值:100
戴上了戒指后,我的颜值:120

这就是最简单的增强功能的装饰模式。以后我们可以添加更多的装饰类,比如:

耳环装饰类:

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public class EarringDecorator implements IBeauty {
private final IBeauty me;

public EarringDecorator(IBeauty me) {
this.me = me;
}

@Override
public int getBeautyValue() {
return me.getBeautyValue() + 50;
}
}

项链装饰类:

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public class NecklaceDecorator implements IBeauty {
private final IBeauty me;

public NecklaceDecorator(IBeauty me) {
this.me = me;
}

@Override
public int getBeautyValue() {
return me.getBeautyValue() + 80;
}
}

客户端测试:

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public class Client {
@Test
public void show() {
IBeauty me = new Me();
System.out.println("我原本的颜值:" + me.getBeautyValue());

// 随意挑选装饰
IBeauty meWithNecklace = new NecklaceDecorator(me);
System.out.println("戴上了项链后,我的颜值:" + meWithNecklace.getBeautyValue());

// 多次装饰
IBeauty meWithManyDecorators = new NecklaceDecorator(new RingDecorator(new EarringDecorator(me)));
System.out.println("戴上耳环、戒指、项链后,我的颜值:" + meWithManyDecorators.getBeautyValue());

// 任意搭配装饰
IBeauty meWithNecklaceAndRing = new NecklaceDecorator(new RingDecorator(me));
System.out.println("戴上戒指、项链后,我的颜值:" + meWithNecklaceAndRing.getBeautyValue());
}
}

运行程序,输出如下:

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我原本的颜值:100
戴上了项链后,我的颜值:180
戴上耳环、戒指、项链后,我的颜值:250
戴上戒指、项链后,我的颜值:200

可以看到,装饰器也实现了 IBeauty 接口,并且没有添加新的方法,也就是说这里的装饰器仅用于增强功能,并不会改变 Me 原有的功能,这种装饰模式称之为 透明装饰模式,由于没有改变接口,也没有新增方法,所以透明装饰模式可以无限装饰

装饰模式是 继承 的一种替代方案。本例如果不使用装饰模式,而是改用继承实现的话,戴着戒指的 Me 需要派生一个子类、戴着项链的 Me 需要派生一个子类、戴着耳环的 Me 需要派生一个子类、戴着戒指 + 项链的需要派生一个子类……各种各样的排列组合会造成类爆炸。而采用了装饰模式就只需要为每个装饰品生成一个装饰类即可,所以说就 增加对象功能 来说,装饰模式比生成子类实现更为灵活

2、用于添加功能的装饰模式

我们用程序来模拟一下房屋装饰粘钩后,新增了挂东西功能的过程:

新建房屋接口:

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public interface IHouse {
void live();
}

房屋类:

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public class House implements IHouse{

@Override
public void live() {
System.out.println("房屋原有的功能:居住功能");
}
}

新建粘钩装饰器接口,继承自房屋接口:

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public interface IStickyHookHouse extends IHouse{
void hangThings();
}

粘钩装饰类:

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public class StickyHookDecorator implements IStickyHookHouse {
private final IHouse house;

public StickyHookDecorator(IHouse house) {
this.house = house;
}

@Override
public void live() {
house.live();
}

@Override
public void hangThings() {
System.out.println("有了粘钩后,新增了挂东西功能");
}
}

客户端测试:

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public class Client {
@Test
public void show() {
IHouse house = new House();
house.live();

IStickyHookHouse stickyHookHouse = new StickyHookDecorator(house);
stickyHookHouse.live();
stickyHookHouse.hangThings();
}
}

运行程序,显示如下:

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房屋原有的功能:居住功能
房屋原有的功能:居住功能
有了粘钩后,新增了挂东西功能

这就是用于 新增功能 的装饰模式。我们在接口中新增了方法:hangThings,然后在装饰器中将 House 类包装起来,之前 House 中的方法仍然调用 house 去执行,也就是说我们并没有修改原有的功能,只是扩展了新的功能,这种模式在装饰模式中称之为 半透明装饰模式

为什么叫半透明呢?由于新的接口 IStickyHookHouse 拥有之前 IHouse 不具有的方法,所以我们如果要使用装饰器中添加的功能,就不得不区别对待 装饰前的对象和装饰后的对象。也就是说客户端要使用新方法,必须知道具体的装饰类 StickyHookDecorator,所以这个装饰类对客户端来说是可见的、不透明的。而被装饰者不一定要是 House,它可以是实现了 IHouse 接口的任意对象,所以被装饰者对客户端是不可见的、透明的。由于一半透明,一半不透明,所以称之为半透明装饰模式。

我们可以添加更多的装饰器:

新建镜子装饰器的接口,继承自房屋接口:

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public interface IMirrorHouse extends IHouse {
void lookMirror();
}

镜子装饰类:

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public class MirrorDecorator implements IMirrorHouse{
private final IHouse house;

public MirrorDecorator(IHouse house) {
this.house = house;
}

@Override
public void live() {
house.live();
}

@Override
public void lookMirror() {
System.out.println("有了镜子后,新增了照镜子功能");
}
}

客户端测试:

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public class Client {
@Test
public void show() {
IHouse house = new House();
house.live();

IMirrorHouse mirrorHouse = new MirrorDecorator(house);
mirrorHouse.live();
mirrorHouse.lookMirror();
}
}

运行程序,输出如下:

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房屋原有的功能:居住功能
房屋原有的功能:居住功能
有了镜子后,新增了照镜子功能

现在我们仿照 透明装饰模式 的写法,同时添加粘钩和镜子装饰试一试:

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public class Client {
@Test
public void show() {
IHouse house = new House();
house.live();

IStickyHookHouse stickyHookHouse = new StickyHookDecorator(house);
IMirrorHouse houseWithStickyHookMirror = new MirrorDecorator(stickyHookHouse);
houseWithStickyHookMirror.live();
houseWithStickyHookMirror.hangThings(); // 这里会报错,找不到 hangThings 方法
houseWithStickyHookMirror.lookMirror();
}
}

我们会发现,第二次装饰时,无法获得上一次装饰添加的方法。原因很明显,当我们用 IMirrorHouse 装饰器后,接口变为了 IMirrorHouse,这个接口中并没有 hangThings 方法。

那么我们能否让 IMirrorHouse 继承自 IStickyHookHouse,以实现新增两个功能呢?

可以,但那样做的话两个装饰类之间有了依赖关系,那就不是装饰模式了。装饰类不应该存在依赖关系,而应该在原本的类上进行装饰。这就意味着,半透明装饰模式中我们无法多次装饰

有的同学会问了,既增强了功能,又添加了新功能的装饰模式叫什么呢?

举一反三,肯定是叫全不透明装饰模式!

并不是!只要添加了新功能的装饰模式都称之为 半透明装饰模式,他们都具有不可以多次装饰的特点。仔细理解上文半透明名称的由来就知道了,“透明”指的是我们无需知道被装饰者具体的类,既增强了功能,又添加了新功能的装饰模式仍然具有半透明特性。

看了这两个简单的例子,是不是发现装饰模式很简单呢?恭喜你学会了 1 + 1 = 2,现在你已经掌握了算数的基本思想,接下来我们来做一道微积分题练习一下。

I/O 中的装饰模式

I/O 指的是 Input/Output,即输入、输出。我们以 Input 为例。先在 src 文件夹下新建一个文件 readme.text,随便写点文字:

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禁止套娃
禁止禁止套娃
禁止禁止禁止套娃

然后用 Java 的 InputStream 读取,代码一般长这样:

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public void io() throws IOException {
InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/readme.txt"));
byte[] buffer = new byte[1024];
while (in.read(buffer) != -1) {
System.out.println(new String(buffer));
}
in.close();
}

这样写有一个问题,如果读取过程中出现了 IO 异常,InputStream 就不能正确关闭,所以我们要用 try...finally 来保证 InputStream 正确关闭:

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public void io() throws IOException {
InputStream in = null;
try {
in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/readme.txt"));
byte[] buffer = new byte[1024];
while (in.read(buffer) != -1) {
System.out.println(new String(buffer));
}
} finally {
if (in != null) {
in.close();
}
}
}

这种写法实在是太丑了,而 IO 操作又必须这么写,显然 Java 也意识到了这个问题,所以 Java 7 中引入了 try(resource) 语法糖,IO 的代码就可以简化如下:

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public void io() throws IOException {
try (InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/readme.txt"))) {
byte[] buffer = new byte[1024];
while (in.read(buffer) != -1) {
System.out.println(new String(buffer));
}
}
}

这种写法和上一种逻辑是一样的,运行程序,显示如下:

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禁止套娃
禁止禁止套娃
禁止禁止禁止套娃

观察获取 InputStream 这句代码:

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InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("src/readme.txt"));

是不是和我们之前多次装饰的代码非常相似:

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// 多次装饰
IBeauty meWithManyDecorators = new NecklaceDecorator(new RingDecorator(new EarringDecorator(me)));

事实上,查看 I/O 的源码可知,Java I/O 的设计框架便是使用的 装饰者模式,InputStream 的继承关系如下:

其中,InputStream 是一个抽象类,对应上文例子中的 IHouse,其中最重要的方法是 read 方法,这是一个抽象方法:

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public abstract class InputStream implements Closeable {

public abstract int read() throws IOException;

// ...
}

这个方法会读取输入流的下一个字节,并返回字节表示的 int 值(0~255),返回 -1 表示已读到末尾。由于它是抽象方法,所以具体的逻辑交由子类实现。

上图中,左边的三个类 FileInputStream、ByteArrayInputStream、ServletInputStream 是 InputStream 的三个子类,对应上文例子中实现了 IHouse 接口的 House。

右下角的三个类 BufferedInputStream、DataInputStream、CheckedInputStream 是三个具体的装饰者类,他们都为 InputStream 增强了原有功能或添加了新功能。

FilterInputStream 是所有装饰类的父类,它没有实现具体的功能,仅用来包装了一下 InputStream:

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public class FilterInputStream extends InputStream {
protected volatile InputStream in;

protected FilterInputStream(InputStream in) {
this.in = in;
}

public int read() throws IOException {
return in.read();
}

//...
}

我们以 BufferedInputStream 为例。原有的 InputStream 读取文件时,是一个字节一个字节读取的,这种方式的执行效率并不高,所以我们可以设立一个缓冲区,先将内容读取到缓冲区中,缓冲区读满后,将内容从缓冲区中取出来,这样就变成了一段一段读取,用内存换取效率。BufferedInputStream 就是用来做这个的。它继承自 FilterInputStream:

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public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
private static final int DEFAULT_BUFFER_SIZE = 8192;
protected volatile byte buf[];

public BufferedInputStream(InputStream in) {
this(in, DEFAULT_BUFFER_SIZE);
}

public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {
super(in);
if (size <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
}
buf = new byte[size];
}

//...
}

我们先来看它的构造方法,在构造方法中,新建了一个 byte[] 作为缓冲区,从源码中我们看到,Java 默认设置的缓冲区大小为 8192 byte,也就是 8 KB。

然后我们来查看 read 方法:

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public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
//...

public synchronized int read() throws IOException {
if (pos >= count) {
fill();
if (pos >= count)
return -1;
}
return getBufIfOpen()[pos++] & 0xff;
}

private void fill() throws IOException {
// 往缓冲区内填充读取内容的过程
//...
}
}

在 read 方法中,调用了 fill 方法,fill 方法的作用就是往缓冲区中填充读取的内容。这样就实现了增强原有的功能。

在源码中我们发现,BufferedInputStream 没有添加 InputStream 中没有的方法,所以 BufferedInputStream 使用的是 透明的装饰模式

DataInputStream 用于更加方便地读取 int、double 等内容,观察 DataInputStream 的源码可以发现,DataInputStream 中新增了 readInt、readLong 等方法,所以 DataInputStream 使用的是 半透明装饰模式

理解了 InputStream 后,再看一下 OutputStream 的继承关系,相信大家一眼就能看出各个类的作用了:

这就是装饰模式,注意不要和适配器模式混淆了。两者在使用时都是包装一个类,但两者的区别其实也很明显:

  • 纯粹的适配器模式 仅用于改变接口,不改变其功能,部分情况下我们需要改变一点功能以适配新接口。但使用适配器模式时,接口一定会有一个 回炉重造 的过程。
  • 装饰模式 不改变原有的接口,仅用于增强原有功能或添加新功能,强调的是 锦上添花

掌握了装饰者模式之后,理解 Java I/O 的框架设计就非常容易了。但对于不理解装饰模式的人来说,各种各样相似的 InputStream 非常容易让开发者感到困惑。这一点正是装饰模式的缺点:容易造成程序中有大量相似的类。虽然这更像是开发者的缺点,我们应该做的是提高自己的技术,掌握了这个设计模式之后它就是我们的一把利器。现在我们再看到 I/O 不同的 InputStream 装饰类,只需要关注它增强了什么功能或添加了什么功能即可。

使用场景

  • 需要扩展一个类的功能,或给一个类增加附加功能。
  • 需要动态地给一个对象增加功能,这些功能可以再动态地撤销。
  • 需要为一批的兄弟类进行改装或加装功能,当然是首选装饰模式。

5、外观模式(不常用)

外观模式非常简单,体现的就是 Java 中封装的思想。将多个子系统封装起来,提供一个更简洁地接口供外部调用。

外观模式:外部与一个子系统的通信必须通过一个统一的外观对象进行,为子系统中的一组接口提供一个一致的界面,外观模式定义了一个高层接口,这个接口使得这一子系统更加容易使用。外观模式又称为门面模式。

举个例子,比如我们每天打开电脑时,都需要做三件事:

  • 打开浏览器
  • 打开 IDE
  • 打开微信

每天下班时,关机前需要做三件事:

  • 关闭浏览器
  • 关闭 IDE
  • 关闭微信

用程序模拟如下:

新建浏览器类:

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public class Browser {
public static void open() {
System.out.println("打开浏览器");
}

public static void close() {
System.out.println("关闭浏览器");
}
}

新建 IDE 类:

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public class IDE {
public static void open() {
System.out.println("打开 IDE");
}

public static void close() {
System.out.println("关闭 IDE");
}
}

新建微信类:

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public class Wechat {
public static void open() {
System.out.println("打开微信");
}

public static void close() {
System.out.println("关闭微信");
}
}

客户端调用:

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public class Client {
@Test
public void test() {
System.out.println("上班:");
Browser.open();
IDE.open();
Wechat.open();

System.out.println("下班:");
Browser.close();
IDE.close();
Wechat.close();
}
}

运行程序,输出如下:

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上班:
打开浏览器
打开 IDE
打开微信
下班:
关闭浏览器
关闭 IDE
关闭微信

由于我们每天都要做这几件事,所以我们可以使用外观模式,将这几个子系统封装起来,提供更简洁的接口:

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public class Facade {
public void open() {
Browser.open();
IDE.open();
Wechat.open();
}

public void close() {
Browser.close();
IDE.close();
Wechat.close();
}
}

客户端就可以简化代码,只和这个外观类打交道:

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public class Client {
@Test
public void test() {
Facade facade = new Facade();
System.out.println("上班:");
facade.open();

System.out.println("下班:");
facade.close();
}
}

运行程序,输出与之前一样。

外观模式就是这么简单,它使得两种不同的类不用直接交互,而是通过一个中间件——也就是外观类——间接交互。外观类中只需要暴露简洁的接口,隐藏内部的细节,所以说白了就是封装的思想。

外观模式非常常用,(当然了!写代码哪有不封装的!)尤其是在第三方库的设计中,我们应该尽量提供简洁的接口供别人调用。另外,在 MVC 架构中,C 层(Controller)就可以看作是外观类,Model 和 View 层通过 Controller 交互,减少了耦合。

使用场景

  • 为一个复杂的模块或子系统提供一个供外界访问的接口
  • 子系统相对独立——外界对子系统的访问只要黑箱操作即可
  • 预防低水平人员带来的风险扩散

6、享元模式(不常用)

享元模式体现的是 程序可复用 的特点,为了节约宝贵的内存,程序应该尽可能地复用,就像《极限编程》作者 Kent 在书里说到的那样:Don’t repeat yourself. 简单来说 享元模式就是共享对象,提高复用性,官方的定义倒是显得文绉绉的:

享元模式:运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象,而这些对象都很相似,状态变化很小,可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象,因此它又称为轻量级模式。

有个细节值得注意:有些对象本身不一样,但通过一点点变化后就可以复用,我们编程时可能稍不注意就会忘记复用这些对象。比如说伟大的《超级玛丽》,谁能想到草和云更改一下颜色就可以实现复用呢?

还有里面的三种乌龟,换一个颜色、加一个装饰就变成了不同的怪:

在《超级玛丽》中,这样的细节还有很多,正是这些精湛的复用使得这一款红遍全球的游戏仅有 40KB 大小。正是印证了那句名言:神在细节之中。

7、代理模式

现在我们有一个 类,他整天就只负责吃饭、睡觉:

类的接口

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public interface IPerson {
void eat();
void sleep();
}

类:

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public class Person implements IPerson{

@Override
public void eat() {
System.out.println("我在吃饭");
}

@Override
public void sleep() {
System.out.println("我在睡觉");
}
}

客户端测试:

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public class Client {
@Test
public void test() {
Person person = new Person();
person.eat();
person.sleep();
}
}

运行程序,输出如下:

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我在吃饭
我在睡觉

我们可以把这个类包装到另一个类中,实现完全一样的行为:

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public class PersonProxy implements IPerson {

private final Person person;

public PersonProxy(Person person) {
this.person = person;
}

@Override
public void eat() {
person.eat();
}

@Override
public void sleep() {
person.sleep();
}
}

将客户端修改为调用这个新的类:

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public class Client {
@Test
public void test() {
Person person = new Person();
PersonProxy proxy = new PersonProxy(person);
proxy.eat();
proxy.sleep();
}
}

运行程序,输出如下:

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我在吃饭
我在睡觉

这就是代理模式。

笔者尽量用最简洁的代码讲解此模式,只要理解了上述这个简单的例子,你就知道代理模式是怎么一回事了。我们在客户端和 Person 类之间新增了一个中间件 PersonProxy,这个类就叫做代理类,他实现了和 Person 类一模一样的行为。

代理模式:给某一个对象提供一个代理,并由代理对象控制对原对象的引用。

现在这个代理类还看不出任何意义,我们来模拟一下工作中的需求。在实际工作中,我们可能会遇到这样的需求:在网络请求前后,分别打印将要发送的数据和接收到数据作为日志信息。此时我们就可以新建一个网络请求的代理类,让它代为处理网络请求,并在代理类中打印这些日志信息。

新建网络请求接口:

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public interface IHttp {
void request(String sendData);

void onSuccess(String receivedData);
}

新建 Http 请求工具类:

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public class HttpUtil implements IHttp {
@Override
public void request(String sendData) {
System.out.println("网络请求中...");
}

@Override
public void onSuccess(String receivedData) {
System.out.println("网络请求完成。");
}
}

新建 Http 代理类:

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public class HttpProxy implements IHttp {
private final HttpUtil httpUtil;

public HttpProxy(HttpUtil httpUtil) {
this.httpUtil = httpUtil;
}

@Override
public void request(String sendData) {
httpUtil.request(sendData);
}

@Override
public void onSuccess(String receivedData) {
httpUtil.onSuccess(receivedData);
}
}

到这里,和我们上述吃饭睡觉的代码是一模一样的,现在我们在 HttpProxy 中新增打印日志信息:

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public class HttpProxy implements IHttp {
private final HttpUtil httpUtil;

public HttpProxy(HttpUtil httpUtil) {
this.httpUtil = httpUtil;
}

@Override
public void request(String sendData) {
System.out.println("发送数据:" + sendData);
httpUtil.request(sendData);
}

@Override
public void onSuccess(String receivedData) {
System.out.println("收到数据:" + receivedData);
httpUtil.onSuccess(receivedData);
}
}

客户端验证:

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public class Client {
@Test
public void test() {
HttpUtil httpUtil = new HttpUtil();
HttpProxy proxy = new HttpProxy(httpUtil);
proxy.request("request data");
proxy.onSuccess("received result");
}
}

运行程序,输出如下:

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发送数据:request data
网络请求中...
收到数据:received result
网络请求完成。

这就是代理模式的一个应用,除了 打印日志,它还可以用来做权限管理。读者看到这里可能已经发现了,这个代理类看起来和装饰模式的 FilterInputStream 一模一样,但两者的目的不同,装饰模式是为了 增强功能或添加功能,代理模式主要是为了加以控制

动态代理

上例中的代理被称之为静态代理,动态代理与静态代理的原理一模一样,只是换了一种写法。使用动态代理,需要把一个类传入,然后根据它正在调用的方法名判断是否需要加以控制。用伪代码表示如下:

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public class HttpProxy {
private final HttpUtil httpUtil;

public HttpProxy(HttpUtil httpUtil) {
this.httpUtil = httpUtil;
}

// 假设调用 httpUtil 的任意方法时,都要通过这个方法间接调用, methodName 表示方法名,args 表示方法中传入的参数
public visit(String methodName, Object[] args) {
if (methodName.equals("request")) {
// 如果方法名是 request,打印日志,并调用 request 方法,args 的第一个值就是传入的参数
System.out.println("发送数据:" + args[0]);
httpUtil.request(args[0].toString());
} else if (methodName.equals("onSuccess")) {
// 如果方法名是 onSuccess,打印日志,并调用 onSuccess 方法,args 的第一个值就是传入的参数
System.out.println("收到数据:" + args[0]);
httpUtil.onSuccess(args[0].toString());
}
}
}

伪代码看起来还是很简单的,实现起来唯一的难点就是怎么让 httpUtil 调用任意方法时都通过一个方法间接调用。这里需要用到反射技术,不了解反射技术也没有关系,不妨把它记做固定的写法。实际的动态代理类代码如下:

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public class HttpProxy implements InvocationHandler {
private HttpUtil httpUtil;

public IHttp getInstance(HttpUtil httpUtil) {
this.httpUtil = httpUtil;
return (IHttp) Proxy.newProxyInstance(httpUtil.getClass().getClassLoader(), httpUtil.getClass().getInterfaces(), this);
}

// 调用 httpUtil 的任意方法时,都要通过这个方法调用
@Override
public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
Object result = null;
if (method.getName().equals("request")) {
// 如果方法名是 request,打印日志,并调用 request 方法
System.out.println("发送数据:" + args[0]);
result = method.invoke(httpUtil, args);
} else if (method.getName().equals("onSuccess")) {
// 如果方法名是 onSuccess,打印日志,并调用 onSuccess 方法
System.out.println("收到数据:" + args[0]);
result = method.invoke(httpUtil, args);
}
return result;
}
}

先看 getInstance 方法,Proxy.newProxyInstance 方法是 Java 系统提供的方法,专门用于动态代理。其中传入的第一个参数是被代理的类的 ClassLoader,第二个参数是被代理类的 Interfaces,这两个参数都是 Object 中的,每个类都有,这里就是固定写法。我们只要知道系统需要这两个参数才能让我们实现我们的目的:调用被代理类的任意方法时都通过一个方法间接调用。现在我们给系统提供了这两个参数,系统就会在第三个参数中帮我们实现这个目的。

第三个参数是 InvocationHandler 接口,这个接口中只有一个方法:

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public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable;

那么不用猜就知道,现在我们调用被代理类 httpUtil 的任意方法时,都会通过这个 invoke 方法调用了。invoke 方法中,第一个参数我们暂时用不上,第二个参数 method 就是调用的方法,使用 method.getName() 可以获取到方法名,第三个参数是调用 method 方法需要传入的参数。本例中无论 request 还是 onSuccess 都只有一个 String 类型的参数,对应到这里就是 args[0]。返回的 Object 是 method 方法的返回值,本例中都是无返回值的。

我们在 invoke 方法中判断了当前调用方法的方法名,如果现在调用的方法是 request,那么打印请求参数,并使用这一行代码继续执行当前方法:

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result = method.invoke(httpUtil, args);

这就是 反射调用函数 的写法,如果不了解可以记做固定写法,想要了解的同学可以看之前的这篇文章:**详解面试中常考的 Java 反射机制**。虽然这个函数没有返回值,但我们还是将 result 返回,这是标准做法。

如果现在调用的方法是 onSuccess,那么打印接收到的数据,并反射继续执行当前方法。

修改客户端验证一下:

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public class Client {
@Test
public void test() {
HttpUtil httpUtil = new HttpUtil();
IHttp proxy = new HttpProxy().getInstance(httpUtil);
proxy.request("request data");
proxy.onSuccess("received result");
}
}

运行程序,输出与之前一样:

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发送数据:request data
网络请求中...
收到数据:received result
网络请求完成。

动态代理本质上与静态代理没有区别,它的好处是节省代码量。比如被代理类有 20 个方法,而我们只需要控制其中的两个方法,就可以用动态代理通过方法名对被代理类进行动态的控制,而如果用静态方法,我们就需要将另外的 18 个方法也写出来,非常繁琐。这就是动态代理的优势所在。

总结

代理模式、适配器模式、装饰器模式很像,只是目的不同。

  • 代理模式:在不改变原始接口的条件下,为原始类控制访问、新增一些业务无关的功能。控制和管理对对象的访问。

  • 适配器模式:将不兼容的接口转换为可兼容的接口。(一种以修正为目的的设计模式)。

  • 装饰器模式:是对原始类的功能进行增强,支持多个装饰类的嵌套增强。不改变接口,但加入责任。

  • 外观模式:将一群对象包装起来以简化其接口。让接口更简单,提供子系统的一个简化接口

  • 组合模式,其实就是一个类中调用另一个类。


02-设计模式之结构型模式
https://flepeng.github.io/设计模式-02-设计模式之结构型模式/
作者
Lepeng
发布于
2021年3月8日
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