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Java 装饰器模式（Decorator）详解​

news 来源：原创 2025/6/9 17:37:09

在 Java 的世界里，设计模式是开发者手中的利器，它们帮助我们以更优雅、更灵活的方式构建软件系统。今天，我们就来深入探讨其中一种非常实用的设计模式 —— 装饰器模式（Decorator Pattern）。​

一、装饰器模式概述​

装饰器模式属于结构型设计模式，它允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。这就好比给一个普通的杯子加上杯盖、杯套，让它具备保温、防烫等功能，而杯子本身的基本结构并没有发生变化。在软件开发中，当我们需要在运行时动态地为对象添加职责，并且避免通过继承来扩展功能带来的类层次结构复杂问题时，装饰器模式就派上用场了。​

装饰器模式主要包含以下几个角色：​

  1. 抽象组件（Component）：定义一个抽象接口，规范具体组件和装饰器的行为。​
  2. 具体组件（Concrete Component）：实现抽象组件接口，是被装饰的具体对象。​
  3. 抽象装饰器（Decorator）：继承或实现抽象组件接口，持有一个抽象组件的引用，并定义一个可以动态添加职责的方法。​
  4. 具体装饰器（Concrete Decorator）：实现抽象装饰器接口，负责为具体组件添加具体的功能。

二、装饰器模式的实现步骤

1.故事背景：机器人功能扩展的两种方案

在智能家居领域，某科技公司推出了第一代家用机器人，它具备三个核心功能：对话、唱歌和播放音乐。

// 第一代机器人：基础功能
interface Robot {void talk();    // 对话void sing();    // 唱歌void playMusic(); // 播放音乐
}class FirstGenerationRobot implements Robot {@Overridepublic void talk() {System.out.println("机器人：你好，我能陪你聊天");}@Overridepublic void sing() {System.out.println("机器人：正在播放《青花瓷》");}@Overridepublic void playMusic() {System.out.println("机器人：正在播放轻音乐");}
}

随着用户需求升级，厂家希望扩展机器人的功能，让它能够扫地和跳舞。针对这个需求，有两种技术方案可供选择：

⑴.方案一：传统继承（厂家升级方案）

厂家选择开发第二代机器人，通过继承第一代产品并添加新功能：

📄 接口定义

// 基础接口：第一代机器人支持的功能
interface Robot {void talk();void sing();void playMusic();
}

📦 类实现

// 第一代机器人（基础实现）
class FirstGenerationRobot implements Robot {@Overridepublic void talk() {System.out.println("对话中...");}@Overridepublic void sing() {System.out.println("正在唱歌...");}@Overridepublic void playMusic() {System.out.println("播放音乐中...");}
}// 第二代机器人：通过继承方式扩展功能
class SecondGenerationRobot extends FirstGenerationRobot {public void sweep() {System.out.println("正在扫地...");}public void dance() {System.out.println("正在跳舞...");}
}

🧪 测试代码

public class InheritanceTest {public static void main(String[] args) {System.out.println("=== 继承方式测试 ===");SecondGenerationRobot robot = new SecondGenerationRobot();robot.talk();robot.sing();robot.playMusic();robot.sweep();  // 扩展功能robot.dance();   // 扩展功能}
}

⑵.方案二：装饰器模式

通过组合方式动态添加新功能：

以下是根据机器人例子实现的装饰器模式代码及详细解释：

抽象组件（Robot 接口）

interface Robot {void talk();   // 对话void sing();   // 唱歌void playMusic(); // 放音乐
}
  • 作用：定义机器人的基本功能，作为装饰器模式的核心接口，规范所有机器人（包括原始机器人和装饰后的机器人）的行为。

具体组件（第一代机器人）

class FirstGenerationRobot implements Robot {@Overridepublic void talk() {System.out.println("第一代机器人：对话");}@Overridepublic void sing() {System.out.println("第一代机器人：唱歌");}@Overridepublic void playMusic() {System.out.println("第一代机器人：放音乐");}
}
  • 作用：实现抽象组件，是被装饰的原始对象（第一代机器人，具有基本功能）。

抽象装饰器（RobotDecorator）

abstract class RobotDecorator implements Robot {protected Robot robot; // 持有被装饰的机器人对象public RobotDecorator(Robot robot) {this.robot = robot;}// 转发原始功能（保持原有功能不变）@Overridepublic void talk() {robot.talk();}@Overridepublic void sing() {robot.sing();}@Overridepublic void playMusic() {robot.playMusic();}
}
  • 作用：作为装饰器的基类，继承抽象组件接口，通过组合（关联）持有原始机器人对象。它实现了原始功能的转发，确保装饰时不破坏原有功能，同时为具体装饰器提供统一的扩展框架。

具体装饰器（添加拖地和跳舞功能）

Java 中的 super 关键字

// 拖地装饰器：继承自RobotDecorator，用于为机器人添加拖地功能
class SweepFloorDecorator extends RobotDecorator {// 构造函数：接收被装饰的机器人实例public SweepFloorDecorator(Robot robot) {// 通过super调用父类构造函数，保存对原始机器人的引用super(robot);}public void sweepFloor() { // 新增功能：拖地System.out.println("装饰后：拖地");}
}// 跳舞装饰器
class DanceDecorator extends RobotDecorator {public DanceDecorator(Robot robot) {super(robot);}public void dance() { // 新增功能：跳舞System.out.println("装饰后：跳舞");}
}

测试代码


public class RobotDemo {public static void main(String[] args) {// 原始机器人（第一代）Robot robot = new FirstGenerationRobot();robot.talk();   // 原始功能：对话robot.sing();   // 原始功能：唱歌robot.playMusic(); // 原始功能：放音乐// 装饰器扩展：添加拖地功能SweepFloorDecorator decoratedWithSweep = new SweepFloorDecorator(robot);decoratedWithSweep.talk(); // 保留原始功能decoratedWithSweep.sweepFloor(); // 新增功能：拖地// 再装饰：添加跳舞功能DanceDecorator fullyDecorated = new DanceDecorator(decoratedWithSweep);fullyDecorated.talk(); // 保留原始功能// 正确调用拖地功能decoratedWithSweep.sweepFloor(); // 拖地功能// 新增功能：跳舞fullyDecorated.dance();}
}

装饰器模式通过组合而非继承，实现了运行时动态扩展对象功能，避免了继承带来的类爆炸问题，是处理 “对象功能扩展” 的优雅方案。在机器人例子中，利用装饰器模式，无需等待厂家更新（继承方式），即可快速为第一代机器人添加拖地、跳舞功能，体现了模式的灵活性和实用性。

  • 继承机制适合功能较为稳定、扩展需求明确的场景，实现简单，但不够灵活。
  • 装饰器模式适合需要动态组合功能、避免类爆炸的情况，虽然实现略复杂，但更符合开闭原则（对扩展开放，对修改关闭）。

三、流程图和内存图

1.创建基础机器人

Robot robot = new FirstGenerationRobot();
  • 创建第一代机器人实例，具备基础功能（talk/sing/playMusic）

2.第一次装饰：添加拖地功能

SweepFloorDecorator decoratedWithSweep = new SweepFloorDecorator(robot);
  • SweepFloorDecorator 持有对原始机器人的引用
  • 继承了 RobotDecorator 的默认实现（转发所有方法调用）

3.调用原始功能

decoratedWithSweep.talk();
  • 执行流程：
    • decoratedWithSweep.talk() 调用 RobotDecorator 的实现
    • RobotDecorator 转发给被装饰对象：robot.talk()
    • 最终执行 FirstGenerationRobot.talk()

4.调用新增功能

decoratedWithSweep.sweepFloor();
  • 直接调用 SweepFloorDecorator 新增的方法
  • 输出："装饰后：拖地"

5.第二次装饰：添加跳舞功能

DanceDecorator fullyDecorated = new DanceDecorator(decoratedWithSweep);
  • DanceDecorator 持有对 SweepFloorDecorator 的引用
  • 形成装饰器嵌套结构：DanceDecorator -> SweepFloorDecorator -> FirstGenerationRobot

6.调用原始功能（多层装饰后）

fullyDecorated.talk();
  • 执行流程：
    • fullyDecorated.talk() 调用 RobotDecorator 的实现
    • 转发给被装饰对象：decoratedWithSweep.talk()
    • decoratedWithSweep.talk() 再次转发：robot.talk()
    • 最终执行 FirstGenerationRobot.talk()

7.调用第一层装饰器功能

decoratedWithSweep.sweepFloor();
  • 必须通过 decoratedWithSweep 引用调用
  • 因为 fullyDecorated 类型是 DanceDecorator，没有直接暴露 sweepFloor() 方法

8.调用第二层装饰器功能

fullyDecorated.dance();
  • 直接调用 DanceDecorator 新增的方法
  • 输出："装饰后：跳舞"

3 个 Robot 引用的指向对象

  1. 变量 robot

    • 类型：Robot
    • 指向：FirstGenerationRobot 实例（原始机器人）

  2. SweepFloorDecorator 内部的 robot 成员变量

    • 类型：Robot（父类 RobotDecorator 的 protected Robot robot）
    • 指向：FirstGenerationRobot 实例（与变量 robot 指向同一个对象）

  3. DanceDecorator 内部的 robot 成员变量

    • 类型：Robot（父类 RobotDecorator 的 protected Robot robot）
    • 指向：SweepFloorDecorator 实例（与前两个引用指向不同对象）

引用的内存地址比较

Robot robot = new FirstGenerationRobot();
SweepFloorDecorator decoratedWithSweep = new SweepFloorDecorator(robot);
DanceDecorator fullyDecorated = new DanceDecorator(decoratedWithSweep);// 内存地址比较（假设对象内存地址为示例值）
robot: 0x1000                  // 指向 FirstGenerationRobot
decoratedWithSweep.robot: 0x1000  // 指向 FirstGenerationRobot（与 robot 相同）
fullyDecorated.robot: 0x2000    // 指向 SweepFloorDecorator（与前两者不同）
  • robot 和 decoratedWithSweep.robot 指向相同对象（内存地址均为 0x1000）。
  • fullyDecorated.robot 指向不同对象（内存地址 0x2000，即 SweepFloorDecorator 实例）。

四、实战中的装饰器模式

1. Java I/O 库中的应用

// 输入流装饰示例：
InputStream fileInput = new FileInputStream("data.txt");
InputStream bufferInput = new BufferedInputStream(fileInput);
DataInputStream dataInput = new DataInputStream(bufferInput);// 功能动态组合：
// 基础功能：FileInputStream
// 装饰1：添加缓冲功能 BufferedInputStream
// 装饰2：添加数据处理功能 DataInputStream

2. Spring 框架中的应用

// Spring Security的认证过滤器链：
FilterChain filterChain = new UsernamePasswordAuthenticationFilter(new BasicAuthenticationFilter(new SecurityContextPersistenceFilter()));// 每个过滤器都是一个装饰器，动态增强请求处理能力

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