C++设计模式<六>：Decorator装饰模式

“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。

典型模式

- Decorator

- Bridge

1.动机

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)会导致更多子类的膨胀。

那么如何使“对象功能的扩展”能够根据需要动态的实现？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。

2.示例

问题描述：设计一组与流相关的类，首先定义一个抽象基类Stream，之后继承各种,如FileStream，NetworkStream，MemoryStream。之后对流进行扩展操作，如加密操作，拷贝操作等。

//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，文件流
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
    }

};

//网络流
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
    }

};

//内存流
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，加密文件流
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...
    }
};

//扩展操作，加密网络流
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...
    }
};

//扩展操作，加密内存流
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...
    }
};

//扩展的操作,缓存文件流
class BufferedFileStream : public FileStream{
    //...
};

//扩展的操作,缓存网络流
class BufferedNetworkStream : public NetworkStream{
    //...
};

//扩展的操作,缓存内存流
class BufferedMemoryStream : public MemoryStream{
    //...
}

//扩展的操作,加密缓冲文件流
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(); //加密文件流

    BufferedFileStream *fs2 = new BufferedFileStream();//缓存文件流

    CryptoBufferedFileStream *fs3 =new CryptoBufferedFileStream();//加密缓存文件流

}

分析：

以上例子是关于：对各种流的操作的，开始只有三个要求(文件流FileStream，网络流NetWorkStream，内存流MemoryStream)，然后这三个类都继承于一个抽象类(Stream);之后提出各种需求，需要进行加密操作，缓存操作等等。因此就有了各种扩展情况。下图可以看出其关系。

什么问题呢？可以看出以上的代码存在大量的代码冗余（比如：加密操作都是一样的，无论是针对文件流还是网络流，加密文件流CryptoFileStream的读操作和加密网络流的都操作都是先加密再读），也就是一样的代码。再看看对CryptoFileStream，CryptoNetworkStream，CryptoMemoryStream进行一部分更改(将继承改为组合)的代码(只看读操作)

class CryptoFileStream :{
    FileStream *stream;//更改的地方
public:
    virtual char Read(int number){
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//更改的地方
    }
};

class CryptoNetworkStream{
    NetworkStream* stream;//更改的地方
public:
    virtual char Read(int number){
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//更改的地方
    }
};

class CryptoMemoryStream{
     MemoryStream* stream;//更改的地方
public:
    virtual char Read(int number){
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//更改的地方
    }
};

上面的代码是不是很像，其中各个类添加的成员(FileStream stream,NetworkStream stream，MemoryStream* stream)是不是可以进一步更改为Stream* stream就可以了。更改完的代码如下

class CryptoFileStream :{
    Stream *stream;//new FileStream()
public:
    virtual char Read(int number){
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);
    }
};

class CryptoNetworkStream{
    Stream* stream;//new NetworkStream()
public:
    virtual char Read(int number){
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);
    }
};

class CryptoMemoryStream{
     Stream* stream;// new NetWorkStream()
public:
    virtual char Read(int number){
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);
    }
};

编译时一样，运行时不一样绝大多数设计模式的原理，运行时让他变化(用多态来支持其变化)。

这样做完后，你发现这三个类是不是一模一样，那只需要一个类就行了(妙！！！)。这样就消除了重复性，优化的代码如下

class CryptoFileStream :{
    Stream *stream;//...可以有各种各样的流到这里
public:
    virtual char Read(int number){
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);
    }
};

上面代码，但你有没有发现一个问题，CryptoFileStream里的Read凭什么是虚函数，因此必须得继承基类(是为了完善接口规范)，因此修改如下

class CryptoStream: public Stream {
    Stream* stream;//...各种流都可以
public:
    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...
    }
};

这样CryptoFileStream既有个基类的字段，也继承基类；同样buffer操作的代码优化同上诉方法一样。

这样改完后 ,就可以这样使用

void Process(){
    //运行时装配
    FileStream* s1=new FileStream(); //文件流
    CryptoStream* s2=new CryptoStream(s1);//加密文件流
    BufferedStream* s3=new BufferedStream(s1);//缓冲文件流
    BufferedStream* s4=new BufferedStream(s2);//缓冲加密文件流
}

运行时装配什么意思呢？编译时不存在缓存文件流，什么加密文件流等等，没有那样的类，运行时可以通过组合装配起来满足需求。这就是装饰的含义，装饰是附着在其他对象上

图示如下

以上做法已经很完善了。但是，如果某一个类的子类有同样的字段时，应该往上提。提到哪？

方法一：提到基类。但是FileStream不需要这个字段。提到基类不合适。

因此需要设计中间类，见下的第三个版本

//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,中间类
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){

    }
    //...
};

总结

  • 以上代码优化过程中，有些类始终没动，但因为该模式的本质上扩展的，就是在谁的基础上再去做，这就是装饰的含义，附着在其他地方上的一个操作。
  • 导致代码不好的原因就是对继承的不良使用，由静态而导致的静态特质，而由组合却可以很好的实现动态(组合优于继承)

当然，面向对象设计原则 里就有条”用组合代替继承”

3.模式定义

动态(组合)地给一个对象增加一个额外的职责。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)

结构图如下

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的功能，而且需要扩展多个功能。避免了使用继承功能带来的“灵活性差”，和多子类衍生功能。
  • Decorator类在接口上变现为is-a Component 的继承关系，即Decorator类继承了Component类所有的接口。但在实现上又变现为has-a Component的组合关系，即Decorator类又使用了另外一个Component类
  • Decortor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”-这就是装饰的含义
时间： 2024-11-05 22:43:12

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