装饰者模式

今天来介绍装饰者模式（Decorator Design Pattern）。

假设我们需要给一家火锅店设计一套结账系统，也就是统计顾客消费的总价格。怎样才能设计出一个好的系统呢？

1，结账系统需求分析

既然要设计一个结账系统，当然需要知道火锅店都有哪些食品及食品的价格，假如我们从火锅店老板那里得到以下食品清单：

• 锅底类：
  • 清汤锅底：5 元
  • 麻辣锅底：7 元
  • 其它
• 配菜类：
  • 青菜：3 元
  • 羊肉：6 元
  • 其它
• 饮料类：
  • 可乐：2 元
  • 其它

可以看到，食品共有三大类，分别是：锅底类，配菜类和饮料类，每个大类下边都有很多具体的食品。

为了设计出一个可维护，可扩展，有弹性的系统，应该怎样设计呢？

我们可以这样看待食品之间的关系，将锅底类看作主品，所有其它的都为副品，也就是附加在主品之上的食品。

副品以主品为中心，围绕在主品周围，包裹着主品，一层层的往外扩展。

如下图所表达的一样：

2，装饰者模式

像这种，需要在原来（主品）的基础上，附加其它的东西（副品），这样的业务场景都可以使用装饰者模式。

装饰者模式的定义为：动态的给一个对象添加其它功能。从扩展性来说，这种方式比继承更有弹性，更加灵活，可作为替代继承的方案。

装饰者模式的优点在于，它能够更灵活的，动态的给对象添加其它功能，而不需要修改任何现有的底层代码。也就是不需要通过修改代码，而是通过扩展代码，来完成新的业务需求。

这就非常符合我们所说的设计原则中的开闭原则：对扩展开放，对修改关闭。也就是尽量不要修改原有代码，而是通过扩展代码来完成任务。这样做的好处是可以减少对原有系统的修改，从而减少引入 bug 的风险。

装饰者模式的类图如下：

ConcreteComponent 为被装饰者，Decorator 是所有装饰者的超类。

装饰者和被装饰者有着共同的超类型，这一点很重要，因为装饰者必须能够取代被装饰者。这样，装饰者才能在被装饰者的基础上，加上自己的行为，以增强被装饰者的能力。

一个被装饰者可以被多个装饰者依次包装，这个包装行为是动态的，不限次数的。

3，实现结账系统

那么根据装饰者模式的类图，我们可以设计出火锅店结账系统的类图，如下：

火锅的锅底作为被装饰者，配菜和饮料作为装饰者。

每个类都有两个方法：

• describe：返回当前火锅的描述。
• cost：返回当前火锅的价格。

首先编写 HotPot 类：

class HotPot {
    protected String desc = "HotPot";
    protected double price = 0;

    public String description() {
        return desc;
    }

    public double cost() {
        return price;
    }
 
    public void printMenu() {
        System.out.println("菜单：" + description() + " 消费总价：" + cost());
    }
}

HotPot 类中有两个属性 desc 和 price，还有三个方法 description，cost 和 printMenu。printMenu 用于输出菜单和消费总价。

再编写 SideDish 类：

class SideDish extends HotPot {
    protected HotPot hotpot;
    
    public double cost() {
        return hotpot.cost() + price;
    };

    public String description() {
        return hotpot.description() +" + "+ desc;
    };
}

SideDish 继承了 HotPot，添加了自己的属性 hotpot，并且重写了两个方法 description 和 cost。

注意：SideDish 类对两个方法 description 和 cost 进行了重写，这非常重要，这体现出了装饰者与被装饰者的区别，装饰者能在被装饰者的基础上附加自己的行为，原因就在这里。

编写两个锅底类：

class SoupPot extends HotPot {
    public SoupPot() {
        desc = "Soup";
        price = 5;
    }
}

class SpicyPot extends HotPot {
    public SpicyPot() {
        desc = "Spicy";
        price = 7;
    }
}

这两个类都继承HotPot，并分别在构造方法中设置自己的 desc 和 price。

再编写三个配菜类：

class VegetablesDish extends SideDish {
    public VegetablesDish(HotPot hotpot) {
        this.hotpot = hotpot;
        desc = "Vegetables";
        price = 3;
    }
}

class MuttonDish extends SideDish {
    public MuttonDish(HotPot hotpot) {
        this.hotpot = hotpot;
        desc = "Mutton";
        price = 6;
    }
}

class ColaDish extends SideDish {
    public ColaDish(HotPot hotpot) {
        this.hotpot = hotpot;
        desc = "Cola";
        price = 2;
    }
}

这三个类都继承 SideDish，并分别在构造方法中设置自己的hotpot，desc 和 price。

4，测试结账系统

用如下代码来测试：

// 只有一份清汤锅底
HotPot hotpot = new SoupPot(); // 被装饰者不需装饰者包装也可以使用
hotpot.printMenu();

// 清汤锅底 + 蔬菜
hotpot = new VegetablesDish(hotpot);
hotpot.printMenu();

// 清汤锅底 + 蔬菜 + 羊肉
hotpot = new MuttonDish(hotpot);
hotpot.printMenu();

// 清汤锅底 + 蔬菜 + 羊肉 + 可乐
hotpot = new ColaDish(hotpot);
hotpot.printMenu();

// 清汤锅底 + 蔬菜 + 羊肉 + 可乐 + 蔬菜
hotpot = new VegetablesDish(hotpot);
hotpot.printMenu();

输出如下：

菜单：Soup 消费总价：5.0
菜单：Soup + Vegetables 消费总价：8.0
菜单：Soup + Vegetables + Mutton 消费总价：14.0
菜单：Soup + Vegetables + Mutton + Cola 消费总价：16.0
菜单：Soup + Vegetables + Mutton + Cola + Vegetables 消费总价：19.0

计算总价时，会从最外层的装饰者，朝着被装饰者的方向，依次调用每一层的 cost 方法，直到被装饰者为止。

然后再朝着最外层装饰者的方向，依次计算出每一层的价格，最后得出的价格就是消费总价。

计算过程如下图所示：

我将完整的装饰者模式代码放在了这里，供大家参考。

5，装饰者模式的使用场景

装饰者模式主要用于，在不修改原有类的前提下，动态的修改原有类的功能。

Java JDK 中大量使用了装饰者模式，尤其是 Java I/O 框架。

Java IO 框架的继承关系如下：

可以看到，Java IO 框架包含了非常多的类，这对初学者并不是很友好，很难弄明白每个类的作用是什么，也不容易了解设计者的意图。

Java IO 主要分为字节流和字符流两大类。我们以 InputStream 为例，画出其类图结构，如下：

从该图能够看出，Java IO 与我们上文中的装饰者模式的类图基本一模一样，所以 Java IO 其实就是使用了装饰者模式，明白了这一点，再使用它就非常方便了。

6，装饰者模式的缺点

装饰者模式有一个比较明显的缺点，从上文中你也许已经发现了，就是它会引入非常多的小类，这样会让使用者弄不明白类之间的关系。

当了解了装饰者的原理，也就比较容易使用了。

7，总结

从装饰者模式中，能充分的看到开闭原则的使用。利用装饰者模式，可以让我们在不修改原有代码的情况下，扩展原有类的功能。但是也不能过度使用它，因为容易引入非常多的小类。