一起学习设计模式–10.装饰模式

模式目标

扩展系统功能

前言

尽管目前房价依然在涨，但依旧阻止不了大家对新房的渴望和买房的热情。如果大家买的是毛坯房，还要面临一个艰巨的任务，那就是装修。对于新房进行装修，并没有改变房屋用于居住的本质，但是它可以让房子变得更漂亮、更温馨、更实用、更能满足居家需求。在软件设计中，也有一种类似新房装修的技术可以对已有对象（新房）的功能进行扩展（装修），以获得更加符合用户需求的对象，使得对象具有更加强大的功能。这种技术对应于一种被称之为装饰模式的设计模式。

一、图形界面构件库的设计

A公司基于面向对象技术开发了一套图形界面构件库，该构件库提供了大量基本构件，如窗体、文本框、列表框等。由于在使用该构件库时，用户经常要求定制一些特殊的显示效果，如带滚动条的窗体、带黑色边框的文本框、既带滚动条又带黑色边框的列表框等，因此经常需要对该构件库进行扩展以增强功能。如何提高图形界面构件库的可扩展性并降低其维护成本是A公司开发人员必须面对的一个问题。

开发人员针对上述要求，提出了一个基于继承复用的初始设计方案，基本结构如下：

上图中，在抽象类Component中声明了抽象方法 Display()，其子类 Window、TextBox、ListBox等实现了 Display() 方法，可以显示最简单的控件，再通过它们的子类来对功能进行扩展。比如Window下边的 SrollBarWindow、BlackBorderWindow中对Window中的Display()方法进行扩展，分别实现了带滚动条和带黑色边框的窗体。但是仔细分析发现还是存在以下几个问题：

系统扩展麻烦，在某些编程语言中无法实现。在C#、Java等面向对象的编程语言中，都不支持多重类继承，因此在这些语言中无法通过继承来实现对来自多个父类的方法重用。
代码重复。上图中可以看出，不仅是窗体需要设置滚动条，文本框、列表框等都需要设置，因此在SrollBarWindow、SrollBarTextBox、SrollBarListBox等类中都需要包含用于增加滚动条的SetScrollBar()方法。该方法的具体实现过程基本相同，代码重复，不利于对系统进行修改和维护。
系统庞大，类的数目非常多。如果增加新的控件或者新的扩展功能，系统都需要增加大量的具体类，这将导致系统变得非常庞大。

显然这不是一个好的设计方案，根本原因在于复用机制的不合理。如何让系统中的类可以进行扩展但是又不会导致类的数目急剧增加呢？根据合成复用原则，在实现功能复用时，要多用关联，少用继承。接下来就是装饰模式大展身手的时候了，装饰模式，顾名思义，它的作用就是对原有对象进行装饰，通过装饰来扩展原有对象的功能，大大简化系统设计。

二、装饰模式概述

1.定义

装饰模式可以在不改变一个对象本身功能的基础上给对象增加额外的新行为。装饰模式是一种用于替代继承的技术，它通过一种无须定义子类的方式来给对象动态增加职责，使用对象之间的关联关系取代类之间的继承关系。在装饰模式中引入了装饰类，在装饰类中既可以调用待装饰的原有类的方法，还可以增加新的方法，以扩充原有类的功能。装饰模式的定义如下：

装饰模式（Decorator Pattern）：动态地给一个对象增加一些额外的职责，就增加对象的功能来说，装饰模式比生成子类实现更为灵活．装饰模式是一种对象结构型模式．

2.结构

在装饰模式中，为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性，通常会定义一个抽象装饰类，而将具体的装饰类作为它的子类。装饰模式的结构如图：

上图中包含4种角色：

Component（抽象构件）：它是具体构件和抽象装饰类的共同父类，声明了在具体构件中实现的业务方法。它的引入可以使客户端以一致的方式处理未被装饰的对象以及装饰之后的对象，实现客户端的透明操作。
ConcreteComponent（具体构件）：它是抽象构件类的子类，用于定义具体的构件对象，实现了在抽象构件中声明的方法，装饰器可以给它增加额外的职责（方法）。
Decorator（抽象装饰类）：它是抽象构件类的子类，用于给具体构件增加职责，但是具体职责在其子类中实现。它维护一个指向抽象构件对象的引用，通过该引用可以调用装饰之前构件对象的方法，并通过其子类扩展该方法，以达到装饰的目的。
ConcreteDecorate（具体装饰类）：它是抽象装饰类的子类，负责向构件添加新的职责。每一个具体的装饰类都定义了一些新的行为，可以调用在抽象装饰类中定义的方法，并可以增加新的方法用以扩充对象的行为。

3.说明

由于具体构件类和装饰类都实现了相同的抽象构件接口，因此装饰模式以对客户端透明的方式动态地给一个对象附加上更多的责任。换言之，客户端并不会觉得对象在装饰前和装饰后有什么不同。装饰模式可以在不需要创造更多子类的情况下，将对象的功能加以扩展。

三、完整解决方案

为了让系统具有更好地灵活性和可扩展性，克服继承复用所带来地问题，A公司开发人员使用装饰模式来重构图形界面构件库地设计，其中部分结类地结构如图：

Component 充当抽象构件类，其子类 Window、TextBox、ListBox 充当具体构件类。Component 类的另一个子类 ComponentDecorator 充当抽象装饰类，ComponentDecorator 的子类 ScrollBarDecorator 和 BlackBorderDecorator 充当具体装饰类。完整代码如下：

    /// <summary>
    /// 抽象界面构件类：抽象构件类。为了突出与模式相关的代码，对原有控件代码进行了大量的简化
    /// </summary>
    public abstract class Component
    {
        public abstract void Display();
    }

    /// <summary>
    /// 窗体类：具体构件类
    /// </summary>
    public class Window : Component
    {
        public override void Display()
        {
            Console.WriteLine("显示窗体");
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// 文本框类：具体构件类
    /// </summary>
    public class TextBox : Component
    {
        public override void Display()
        {
            Console.WriteLine("显示文本框");
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// 列表框类：具体构件类
    /// </summary>
    public class ListBox : Component
    {
        public override void Display()
        {
            Console.WriteLine("显示列表框");
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// 构件装饰类：抽象装饰类
    /// </summary>
    public class ComponentDecorator : Component
    {
        //位置对抽象构件类型对象的引用
        private Component component;

        /// <summary>
        /// 注入抽象构件类型的对象
        /// </summary>
        /// <param name="component"></param>
        public ComponentDecorator(Component component)
        {
            this.component = component;
        }

        public override void Display()
        {
            component.Display();
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// 滚动条装饰类：具体装饰类
    /// </summary>
    public class SrollBarDecorator : ComponentDecorator
    {
        public SrollBarDecorator(Component component) : base(component)
        {

        }

        public override void Display()
        {
            this.SetSsrollBar();
            base.Display();
        }

        public void SetSsrollBar()
        {
            Console.WriteLine("为构件增加滚动条");
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// 黑色边框装饰类：具体装饰类
    /// </summary>
    public class BlackBorderDecorator : ComponentDecorator
    {
        public BlackBorderDecorator(Component component) : base(component)
        {

        }

        public override void Display()
        {
            this.SetBlackBorder();
            base.Display();
        }

        public void SetBlackBorder()
        {
            Console.WriteLine("为构件增加黑色边框");
        }
    }

客户端测试代码：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Component component = new Window();
            Component componentSB = new SrollBarDecorator(component);
            componentSB.Display();
        }
    }

输出结果：

如果希望得到一个既有滚动条又有黑色边框的窗体，不需要对原有类库进行任何修改，只需要将客户端代码进行修改如下：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Component component = new Window();
            Component componentSB = new SrollBarDecorator(component);
            Component componentBB = new BlackBorderDecorator(componentSB);
            componentBB.Display();
        }
    }

编译并运行：

如果需要在原有系统中增加一个新的具体构件类或者新的具体装饰类，无需修改现有类库代码，只需将他们分别作为抽象构件类或者抽象装饰类的子类即可。与继承结构相比，使用装饰模式之后大大减少了子类的个数，让系统扩展起来更加方便，而且更容易维护。装饰模式是取代继承复用的有效方式之一。

四、装饰模式注意事项

在使用装饰模式时，通常需要注意以下几个问题：

尽量保持装饰类的接口与被装饰类的接口相同。这样对客户端而言，无论是装饰之前的对象还是装饰之后的对象都可以一致对待。
尽量保持具体构件类 ConcreteComponent 是一个“轻”类。也就是说，不要把太多的行为放在具体构件类中，可以通过装饰类对其进行扩展。
如果只有一个具体构件类，那么抽象装饰类可以作为该具体构件类的直接子类。

五、装饰模式总结

装饰模式降低了系统的耦合度，可以动态的增加或删除对象的职责，并使得需要装饰的具体构件类和具体装饰类独立变化，以便增加新的具体构件类和具体装饰类。

1.主要优点

对于扩展一个对象的功能，装饰模式比继承更加灵活，不会导致类的个数急剧增加。
可以通过一种动态的方式来扩展一个对象的功能。通过配置文件可以在运行时选择不同的具体装饰类，从而实现不同的行为。
可以对一个对象进行多次装饰。通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合，可以创造出很多不同行为的组合，得到功能更为强大的对象。
具体构件类和具体装饰类可以独立变化，用户可以根据需要增加新的具体构件类和具体装饰类，原有类库代码无需改变，符合开闭原则。

2.主要缺点

使用装饰模式进行系统设计时将产生很多小对象。这些对象的区别在于它们之间相互连接的方式有所不同，而不是它们的类或者属性值有所不同。大量小对象的产生势必会占用更多的系统资源，在一定程度上影响程序的性能。
装饰模式提供了一种比继承更加灵活机动的解决方案，但同时也意味着比继承更加易于出错，排错也很困难。对于多次装饰的对象，调试时寻找错误可能需要逐级排查，较为烦琐。

3.适用场景

在不影响其它对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责。
当不能采用继承的方式对系统进行扩展或者采用继承不利于系统扩展和维护时可以使用装饰模式。不能采用继承的情况主要有两类：①.系统中存在大量独立的扩展，为支持每一种扩展或者扩展之间的组合将会产生大量的子类，使得子类数目呈爆炸性增长；②.因为类已定义不能被继承。