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(第Ⅲ部分 結(jié)構(gòu)型模式篇) 第9章 裝飾模式（Deco

系統(tǒng) 2550 0
——.NET設計模式系列之十
Terrylee ， 2006 年 3 月
概述
在軟件系統(tǒng)中，有時候我們會使用繼承來擴展對象的功能，但是由于繼承為類型引入的靜態(tài)特質(zhì)，使得這種擴展方式缺乏靈活性；并且隨著子類的增多（擴展功能的增多），各種子類的組合（擴展功能的組合）會導致更多子類的膨脹。如何使“對象功能的擴展”能夠根據(jù)需要來動態(tài)地實現(xiàn)？同時避免“擴展功能的增多”帶來的子類膨脹問題？從而使得任何“功能擴展變化”所導致的影響將為最低？這就是本文要講的 Decorator 模式。
意圖
動態(tài)地給一個對象添加一些額外的職責。就增加功能來說， Decorator 模式相比生成子類更為靈活。 [GOF 《設計模式》 ]
結(jié)構(gòu)圖
圖 1 Decorator 模式結(jié)構(gòu)圖
生活中的例子
裝飾模式動態(tài)地給一個對象添加額外的職責。不論一幅畫有沒有畫框都可以掛在墻上，但是通常都是有畫框的，并且實際上是畫框被掛在墻上。在掛在墻上之前，畫可以被蒙上玻璃，裝到框子里；這時畫、玻璃和畫框形成了一個物體。
圖 2 使用有畫框的畫作為例子的裝飾模式對象圖
裝飾模式解說
在軟件開發(fā)中，經(jīng)常會遇到動態(tài)地為一個對象而不是整個類增加一些功能的問題，還是以我慣用的記錄日志的例子來說明吧（也許在 Decorator 模式里面用這個例子不是特別合適）。現(xiàn)在要求我們開發(fā)的記錄日志的組件，除了要支持數(shù)據(jù)庫記錄 DatabaseLog 和文本文件記錄 TextFileLog 兩種方式外，我們還需要在不同的應用環(huán)境中增加一些額外的功能，比如需要記錄日志信息的錯誤嚴重級別，需要記錄日志信息的優(yōu)先級別，還有日志信息的擴展屬性等功能。在這里，如果我們不去考慮設計模式，解決問題的方法其實很簡單，可以通過繼承機制去實現(xiàn)，日志類結(jié)構(gòu)圖如下：
圖 3
實現(xiàn)代碼如下：
public abstract class Log
{
public abstract void Write( string log);
}
public class DatabaseLog : Log
{
public override void Write( string log)
{
//...... 記錄到數(shù)據(jù)庫中
}
}
public class TextFileLog : Log
{
public override void Write( string log)
{
//...... 記錄到文本文件中
}
}
需要記錄日志信息的錯誤嚴重級別功能和記錄日志信息優(yōu)先級別的功能，只要在原來子類 DatabaseLog 和 TextFileLog 的基礎(chǔ)上再生成子類即可，同時需要引進兩個新的接口 IError 和 I Priority ，類結(jié)構(gòu)圖如下：
圖 4
實現(xiàn)代碼如下：
public interface IError
{
void SetError();
}
public interface IPriority
{
void SetPriority();
}
public class DBErrorLog : DatabaseLog , IError
{
public override void Write( string log)
{
base .Write(log);
}
public void SetError()
{
//...... 功能擴展，實現(xiàn)了記錄錯誤嚴重級別
}
}
public class DBPriorityLog : DatabaseLog , IPriority
{
public override void Write( string log)
{
base .Write(log);
}
public void SetPriority()
{
//...... 功能擴展，實現(xiàn)了記錄優(yōu)先級別
}
}
public class TFErrorLog : TextFileLog , IError
{
public override void Write( string log)
{
base .Write(log);
}
public void SetError()
{
//...... 功能擴展，實現(xiàn)了記錄錯誤嚴重級別
}
}
public class TFPriorityLog : TextFileLog , IPriority
{
public override void Write( string log)
{
base .Write(log);
}
public void SetPriority()
{
//...... 功能擴展，實現(xiàn)了記錄優(yōu)先級別
}
}
此時可以看到，如果需要相應的功能，直接使用這些子類就可以了。這里我們采用了類的繼承方式來解決了對象功能的擴展問題，這種方式是可以達到我們預期的目的。然而，它卻帶來了一系列的問題。首先，前面的分析只是進行了一種功能的擴展，如果既需要記錄錯誤嚴重級別，又需要記錄優(yōu)先級時，子類就需要進行接口的多重繼承，這在某些情況下會違反類的單一職責原則，注意下圖中的藍色區(qū)域：
圖 5
實現(xiàn)代碼：
public class DBEPLog : DatabaseLog , IError , IPriority
{
public override void Write( string log)
{
SetError();
SetPriority();
base .Write(log);
}
public void SetError()
{
//...... 功能擴展，實現(xiàn)了記錄錯誤嚴重級別
}
public void SetPriority()
{
//...... 功能擴展，實現(xiàn)了記錄優(yōu)先級別
}
}
public class TFEPLog : DatabaseLog , IError , IPriority
{
public override void Write( string log)
{
SetError();
SetPriority();
base .Write(log);
}
public void SetError()
{
//...... 功能擴展，實現(xiàn)了記錄錯誤嚴重級別
}
public void SetPriority()
{
//...... 功能擴展，實現(xiàn)了記錄優(yōu)先級別
}
}
其次，隨著以后擴展功能的增多，子類會迅速的膨脹，可以看到，子類的出現(xiàn)其實是 DatabaseLog 和 TextFileLog 兩個子類與新增加的接口的一種排列組合關(guān)系，所以類結(jié)構(gòu)會變得很復雜而難以維護，正如象李建忠老師說的那樣“子類復子類，子類何其多”；最后，這種方式的擴展是一種靜態(tài)的擴展方式，并沒有能夠真正實現(xiàn)擴展功能的動態(tài)添加，客戶程序不能選擇添加擴展功能的方式和時機。
現(xiàn)在又該是 Decorator 模式出場的時候了，解決方案是把 Log 對象嵌入到另一個對象中，由這個對象來擴展功能。首先我們要定義一個抽象的包裝類 LogWrapper ，讓它繼承于 Log 類，結(jié)構(gòu)圖如下：
圖 6
實現(xiàn)代碼如下：
public abstract class LogWrapper : Log
{
private Log _log;
public LogWrapper( Log log)
{
_log = log;
}
public override void Write( string log)
{
_log.Write(log);
}
}
現(xiàn)在對于每個擴展的功能，都增加一個包裝類的子類，讓它們來實現(xiàn)具體的擴展功能，如下圖中綠色的區(qū)域：
圖 7
實現(xiàn)代碼如下：
public class LogErrorWrapper : LogWrapper
{
public LogErrorWrapper( Log _log)
: base (_log)
{
}
public override void Write( string log)
{
SetError(); //...... 功能擴展
base .Write(log);
}
public void SetError()
{
//...... 實現(xiàn)了記錄錯誤嚴重級別
}
}
public class LogPriorityWrapper : LogWrapper
{
public LogPriorityWrapper( Log _log)
: base (_log)
{
}
public override void Write( string log)
{
SetPriority(); //...... 功能擴展
base .Write(log);
}
public void SetPriority()
{
//...... 實現(xiàn)了記錄優(yōu)先級別
}
}
到這里， LogErrorWrapper 類和 LogPriorityWrapper 類真正實現(xiàn)了對錯誤嚴重級別和優(yōu)先級別的功能的擴展。我們來看一下客戶程序如何去調(diào)用它：
public class Program
{
public static void Main( string [] args)
{
Log log = new DatabaseLog ();
LogWrapper lew1 = new LogErrorWrapper (log);
// 擴展了記錄錯誤嚴重級別
lew1.Write( "Log Message" );
LogPriorityWrapper lpw1 = new LogPriorityWrapper (log);
// 擴展了記錄優(yōu)先級別
lpw1.Write( "Log Message" );
LogWrapper lew2 = new LogErrorWrapper (log);
LogPriorityWrapper lpw2 = new LogPriorityWrapper (lew2); // 這里是lew2
// 同時擴展了錯誤嚴重級別和優(yōu)先級別
lpw2.Write( "Log Message" );
}
}
注意在上面程序中的第三段裝飾才真正體現(xiàn)出了 Decorator 模式的精妙所在，這里總共包裝了兩次：第一次對 log 對象進行錯誤嚴重級別的裝飾，變成了 lew2 對象，第二次再對 lew2 對象進行裝飾，于是變成了 lpw2 對象，此時的 lpw2 對象同時擴展了錯誤嚴重級別和優(yōu)先級別的功能。也就是說我們需要哪些功能，就可以這樣繼續(xù)包裝下去。到這里也許有人會說 LogPriorityWrapper 類的構(gòu)造函數(shù)接收的是一個Log對象，為什么這里可以傳入LogErrorWrapper對象呢？通過類結(jié)構(gòu)圖就能發(fā)現(xiàn)，LogErrorWrapper類其實也是Log類的一個子類。
我們分析一下這樣會帶來什么好處？首先對于擴展功能已經(jīng)實現(xiàn)了真正的動態(tài)增加，只在需要某種功能的時候才進行包裝；其次，如果再出現(xiàn)一種新的擴展功能，只需要增加一個對應的包裝子類（注意：這一點任何時候都是避免不了的），而無需再進行很多子類的繼承，不會出現(xiàn)子類的膨脹，同時 Decorator 模式也很好的符合了面向?qū)ο笤O計原則中的“優(yōu)先使用對象組合而非繼承”和“開放 - 封閉”原則。
.NET 中的裝飾模式
1 ． .NET 中 Decorator 模式一個典型的運用就是關(guān)于 Stream ，它存在著如下的類結(jié)構(gòu)：
圖 8
可以看到， BufferedStream 和 CryptoStream 其實就是兩個包裝類，這里的 Decorator 模式省略了抽象裝飾角色（ Decorator ），示例代碼如下：
class Program
{
public static void Main( string [] args)
{
MemoryStream ms =
new MemoryStream ( new byte [] { 100,456,864,222,567});
// 擴展了緩沖的功能
BufferedStream buff = new BufferedStream (ms);
// 擴展了緩沖，加密的功能
CryptoStream crypto = new CryptoStream (buff);
}
}
通過反編譯，可以看到 BufferedStream 類的代碼（只列出部分），它是繼承于 Stream 類：
public sealed class BufferedStream : Stream
{
// Methods
private BufferedStream();
public BufferedStream(Stream stream);
public BufferedStream(Stream stream, int bufferSize);
// Fields
private int _bufferSize;
private Stream _s;
}
2 ．在 Enterprise Library 中的 DAAB 中有一個 DbCommandWrapper 的包裝類，它實現(xiàn)了對 IDbCommand 類的包裝并提供了參數(shù)處理的功能。結(jié)構(gòu)圖如下：
圖 9
示意性代碼如下：
public abstract class DBCommandWrapper : MarshalByRefObject , IDisposable
{
}
public class SqlCommandWrapper : DBCommandWrapper
{
}
public class OracleCommandWrapper : DBCommandWrapper
{
}
效果及實現(xiàn)要點
1 ．Component類在Decorator模式中充當抽象接口的角色，不應該去實現(xiàn)具體的行為。而且Decorator類對于Component類應該透明，換言之Component類無需知道Decorator類，Decorator類是從外部來擴展Component類的功能。
2 ．Decorator類在接口上表現(xiàn)為is-a Component的繼承關(guān)系，即Decorator類繼承了Component類所具有的接口。但在實現(xiàn)上又表現(xiàn)為has-a Component的組合關(guān)系，即Decorator類又使用了另外一個Component類。我們可以使用一個或者多個Decorator對象來“裝飾”一個Component對象，且裝飾后的對象仍然是一個Component對象。
3 ．Decortor模式并非解決“多子類衍生的多繼承”問題，Decorator模式的應用要點在于解決“主體類在多個方向上的擴展功能”——是為“裝飾”的含義。
4 ．對于Decorator模式在實際中的運用可以很靈活。 如果只有一個ConcreteComponent類而沒有抽象的Component類，那么Decorator類可以是ConcreteComponent的一個子類。
圖10
如果只有一個ConcreteDecorator類，那么就沒有必要建立一個單獨的Decorator類，而可以把Decorator和ConcreteDecorator的責任合并成一個類。
圖11
5 ．Decorator模式的優(yōu)點是提供了比繼承更加靈活的擴展， 通過使用不同的具體裝飾類以及這些裝飾類的排列組合，可以創(chuàng)造出很多不同行為的組合。
6 ．由于使用裝飾模式，可以比使用繼承關(guān)系需要較少數(shù)目的類。使用較少的類，當然使設計比較易于進行。但是，在另一方面，使用裝飾模式會產(chǎn)生比使用繼承關(guān)系更多的對象。更多的對象會使得查錯變得困難，特別是這些對象看上去都很相像。
適用性
在以下情況下應當使用裝飾模式：
1. 需要擴展一個類的功能，或給一個類增加附加責任。
2. 需要動態(tài)地給一個對象增加功能，這些功能可以再動態(tài)地撤銷。
3. 需要增加由一些基本功能的排列組合而產(chǎn)生的非常大量的功能，從而使繼承關(guān)系變得不現(xiàn)實。
總結(jié)
Decorator 模式采用對象組合而非繼承的手法，實現(xiàn)了在運行時動態(tài)的擴展對象功能的能力，而且可以根據(jù)需要擴展多個功能，避免了單獨使用繼承帶來的“靈活性差”和“多子類衍生問題”。同時它很好地符合面向?qū)ο笤O計原則中“優(yōu)先使用對象組合而非繼承”和“開放 - 封閉”原則。
參考資料
閻宏，《 Java 與模式》，電子工業(yè)出版社
James W. Cooper ，《 C# 設計模式》，電子工業(yè)出版社
Alan Shalloway James R. Trott ，《 Design Patterns Explained 》，中國電力出版社
MSDN WebCast 《 C# 面向?qū)ο笤O計模式縱橫談 (10) Decorator 裝飾模式 ( 結(jié)構(gòu)型模式 ) 》

(第Ⅲ部分 結(jié)構(gòu)型模式篇) 第9章 裝飾模式（Decorator Pattern）


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