浅谈装饰模式及其在JDK、Flink中的应用

前言

上周末在家翻看之前写的部分文章，发现在设计模式方面甚少涉猎。在阅读开源项目源码的过程中，我们经常会接触到各种设计模式，深入理解它们无疑大有裨益，能够帮助我们快速get到那些masterminds背后的思想。今天就来谈一谈应用较为广泛的装饰模式。

装饰模式与四要素

装饰模式属于GoF设计模式分类中的结构型模式。

所谓装饰模式（decorator pattern），就是在不改变原有类，也不影响其他继承自该类的子类的行为的基础上，为原有类在运行期动态地添加新行为的模式。(Attach additional responsibilities to an object dynamically)

我们知道，类继承是为类扩充功能的一般方案。而装饰模式作为类继承的替代方案存在(Decorators provide a flexible alternative to subclassing for extending functionality)，其意义在于：

类继承扩充的功能在编译期就被确定，而装饰模式扩充的功能可以在运行时由调用方确定。如果要为类同时扩充多个相互独立而又可以组合的功能，采用类继承方案就意味着为每种组合创建新的类，容易造成子类泛滥。装饰模式就可以灵活地按需组合（就像现实中的小装饰品可以随意摆放一样），更加简洁且易于修改。

下面的UML类图示出实现装饰模式的四要素。

构件（Component）：接口，用于定义整个实体空间的最基础的行为规范；

构件实体（ConcreteComponent）：实现Component的实体类，本身具有一些功能，同时也是被装饰（被扩充）的类；

装饰器（Decorator）：实现Component的类，其中维护一个ConcreteComponent的实例，具体的装饰功能由其子类实现；

装饰器实体（ConcreteDecorator）：继承Decorator并实现具体的装饰功能。

通过下面两句话即可使用装饰器实体ConcreteDecorator实现的扩充功能：

Component component = new ConcreteDecorator(new ConcreteComponent());
component.operation();

可见，调用方只需要额外调用装饰器实体的构造函数，而不必关心Component/ConcreteComponent在装饰之后的变化。不过由上也可以看出，装饰模式会new出更多的对象，当装饰器实体的链比较长时会有性能问题，并且出现问题时也不利于debug。

上面所有内容讲的装饰模式叫做透明装饰模式，即用户总可以只用Component来调用所有功能。相对地，还有一种半透明装饰模式，即装饰器实体中允许存在Component中不存在的新方法（如someNewBehavior()），调用方式相应就变成：

ConcreteDecorator component = new ConcreteDecorator(new ConcreteComponent());
component.someNewBehavior();

由于扩充功能可以在新方法中定义，半透明装饰模式更加灵活，但是就无法对用户屏蔽ConcreteDecorator存在的现实了。更重要的是，半透明装饰模式下对实例进行多次（链式）装饰是没有意义的，因为只能调用最后一次装饰时装饰器实体的新增方法。

干说了这么多，举两个示例来帮助理解吧。

Java I/O中的装饰模式

装饰模式在java.io包中广泛使用，包括基于字节流的InputStream/OutputStream和基于字符的Reader/Writer体系。以下以InputStream为例。

InputStream是所有字节输入流的基类，其下有众多子类，如基于文件的FileInputStream、基于对象的ObjectInputStream、基于字节数组的ByteArrayInputStream等。有些时候，我们想为这些流加一些其他的小特性，如缓冲、压缩等，用装饰模式实现就非常方便。相关的部分类图如下所示。

这个类图很标准，其中：

构件是InputStream；
构件实体是FileInputStream、ObjectInputStream等等；
装饰器是FilterInputStream；
装饰器实体是FilterInputStream的所有子类。

观察一下装饰器FilterInputStream的开头，可以发现它持有InputStream的引用，并且实现了InputStream中的所有方法（实际上就是简单地代理了一下）。具体的装饰器实体就继承FilterInputStream，并实现对应的扩充功能。如下图所示。

以下就可以用BufferedInputStream和GZIPInputStream创建一个带缓冲、压缩的文件输入流。

InputStream is = new GZIPInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("test.txt")));

当然，如果我们想要自己实现一个InputStream的装饰器实例，创建一个FilterInputStream的子类即可，就不再举例了。

Flink State TTL中的装饰模式

笔者之前写过一篇文章《简析Flink状态生存时间（State TTL）机制的底层实现》，这里就用到了装饰模式，但不像Java I/O那样标准。

为状态增加TTL的特性可以直接在原始状态之上实现，因此符合装饰模式的场景。Flink引入了一个AbstractTtlDecorator<T>抽象类作为装饰器，负责为状态类型T装饰上与TTL相关的基本逻辑。相关的部分类图如下所示。

可见，虽然AbstractTtlDecorator并未持有State的实例（只有State的类型参数），但是在其子类AbstractTtlState中，通过持有TTL状态上下文TTLStateContext间接地得到了State实例。例如，由AbstractTtlState派生出来的TtlMapState直接在原来的MapState上进行增删改查操作，只是附带上了AbstractTtlDecorator和AbstractTtlState提供的TTL逻辑而已。其他的TtlListState等也是同理。具体的代码可参见前面给的传送门，这里不再重复贴了。

虽然这种模式的类结构并不典型，但是也完全契合装饰模式的精神，Ttl*State对用户也是透明的。有很多开源框架都采用了这种相对松散的装饰模式，有时会被称为包装（Wrapper）模式。

The End

明天高考，各位小盆友加油加油。

民那晚安晚安。