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设计模式-装饰器模式

示例

对于装饰器模式，我想先不谈概念，而是先从一个例子开始说起，看看面对这样的需求，我们应该如何处理，并希望由此逐步引出装饰器模式以加深理解。

需求

假设现在需要开一个奶茶店，奶茶种类繁多，如红豆奶茶，布丁奶茶，珍珠奶茶，红豆珍珠奶茶等。种类虽多，但实质上都是在奶茶中加了各种配料而已。为了简化实现，继续假设奶茶的价格根据奶茶本身加上不同配料累计计算而成。然后，根据每个客户的要求，每种奶茶又可以加糖或者加冰，加糖加冰不额外收费。

初级方案

在学习设计模式之前，或许最容易想到的方案就是继承了，即先定义奶茶类，然后再定义各种奶茶子类继承自奶茶类，考虑到以后或许还会有更多的饮品，例如咖啡，因此再定义一个饮品的抽象基类，让奶茶类继承自饮品基类，这样一来，最终设计可能会如下类图所示：
设计模式-装饰器模式-LMLPHP

部分代码如下：

public abstract class Drink
{
    public string Name { get; set; }

    public int Price { get; set; }

    public abstract string Desc { get; }

    public abstract int Cost { get; }
}

public class Naicha : Drink
{
    public Naicha()
    {
        Name = "奶茶";
        Price = 8;
    }
    public override string Desc => this.Name;
    public override int Cost => this.Price;
}

public class HongDouNaicha : Naicha
{
    public HongDouNaicha()
    {
        Name += "+红豆";
        Price += 1;
    }
}

public class ZhenzhuNaicha : Naicha
{
    public ZhenzhuNaicha()
    {
        Name += "+珍珠";
        Price += 3;
    }
}

...

问题

不难想象，这种设计是一种灾难，因为它至少会出现如下四个问题：

  • 类爆炸，代码虽然只列了部分，但通过类图可以看出类的数量必定会达到一个恐怖的地步；
  • 如果加冰改为收费，需要多处修改价格，代码维护困难，严重违反开闭原则；
  • 如果新增配料，类的数量会急剧增加，代码维护困难，严重违反开闭原则；
  • 无法实现加多份配料，如多冰、多糖等。

改进一

由于上述问题，现实促使我们不得不对方案进行改进，不过好在对于类爆炸的问题，我们是有经验的，我们在学习工厂方法模式的时候就出现过类爆炸，我们通过合并的方式就演化出了抽象工厂模式，这里我们也可以依葫芦画瓢，对类进行合并。
合并后的类图如下：
设计模式-装饰器模式-LMLPHP

再看看代码：

public abstract class Drink
{
    public string Name { get; set; }

    public int Price { get; set; }

    public abstract string Desc { get; }

    public abstract int Cost { get; }

    public abstract void AddBuding();

    public abstract void AddHongdou();

    public abstract void AddZhenzhu();

    public abstract void AddBing();

    public abstract void AddTang();
}

public class Naicha : Drink
{
    private string _desc = string.Empty;
    private int _cost = 0;
    public Naicha()
    {
        Name = "奶茶";
        Price = 8;
    }

    public override string Desc => this.Name + _desc;
    public override int Cost => this.Price + _cost;

    public override void AddBing()
    {
        _desc += "+冰";
    }

    public override void AddBuding()
    {
        _desc += "+布丁";
        _cost += 2;
    }

    public override void AddHongdou()
    {
        _desc += "+红豆";
        _cost += 1;
    }

    public override void AddTang()
    {
        _desc += "+糖";
    }

    public override void AddZhenzhu()
    {
        _desc += "+珍珠";
        _cost += 3;
    }
}

优点

将各种子类都直接改成抽象方法放到Drink父类中，效果简直立杆见影，起码解决了初级方案中的两个问题：

  • 消除了类爆炸的问题，代码简洁，一下子就只剩下两个类了；
  • 配料可以任意搭配组合，并且也可以加入多份。

缺点

但是新的问题也随之而来：

  • 如果修改价格或新增配料就需要新增方法，违反了开闭原则；
  • 如果新增饮品咖啡，这时也会变得麻烦，因为咖啡需要冰和糖，同时还需要咖啡伴侣，但是不需要布丁、珍珠、红豆等。
    public abstract class Drink
{
    ...

    public abstract void AddKafeibanlv();
}

public class Naicha : Drink
{
    ...

    public override void AddKafeibanlv()
    {

    }
}

public class Kafei : Drink
{
    ...

    public override void AddBuding()
    {

    }

    public override void AddHongdou()
    {

    }

    public override void AddZhenzhu()
    {

    }

    public override void AddKafeibanlv()
    {
        _desc += "+咖啡伴侣";
        _cost += 2;
    }
}
    可以看到，增加了咖啡之后，父类以及每个子类的代码都要跟着修改，而且每个子类都必须继承大量无用的方法。

改进二

因此，我们还需要进一步改进，这次我们改进的方向是将这些方法抽象并合并，因为我们可以看到，上面的方案之所以会有这么多问题就是因为面向了实现编程，每个方法都代表了一种配料，如果我们将这些配料全部继承自同一个抽象类，然后提供一个面向抽象的AddPeiliao(Peiliao peiliao)方法不就可以这个问题了吗？于是我们就有了如下改进：
设计模式-装饰器模式-LMLPHP

为了满足这个需求，我们对饮品基类也进行了较大的改造，代码如下：

public abstract class Drink
{
    protected List<Peiliao> Peiliaos = new List<Peiliao>();
    public string Name { get; set; }

    public int Price { get; set; }

    public int Cost
    {
        get
        {
            int cost = this.Price;
            foreach (var peiliao in Peiliaos)
            {
                cost += peiliao.Price;
            }
            return cost;
        }
    }

    public string Desc
    {
        get
        {
            string desc = this.Name;
            foreach (var peiliao in Peiliaos)
            {
                desc += "+" + peiliao.Name;
            }
            return desc;
        }
    }

    public void AddPeiliao(Peiliao peiliao)
    {
        Peiliaos.Add(peiliao);
    }
}

public class Naicha : Drink
{
    public Naicha()
    {
        Name = "奶茶";
        Price = 8;
    }
}

由于配料全部通过一个集合组合到了基类中，因此，不需要通过抽象方法让子类计算价格，而是直接在基类中循环叠加计算，同时，由于大部分的功能都在基类中实现了，子类变得干净简洁了。

再看看配料：

public abstract class Peiliao
{
    public abstract string Name { get; }

    public abstract int Price { get; }
}

public class Buding : Peiliao
{
    public override string Name => "布丁";

    public override int Price => 2;
}

同样的简洁干净。

优点

这样的改进优点是巨大的，几乎解决了所有问题：

  • 配料可任意搭配组合，并且满足新增饮品的需求；
  • 新增饮品和配料均只需要增加新的类即可，满足开闭原则

缺点

感觉上好像挺不错的，堪称完美！难道这就是今天的主角---装饰器模式？其实，我们忽略了两个问题：

  • 这个方案以及上一个方案都犯了一个致命的错误，就是修改了饮品类，这在很多时候是不被允许的，或者说根本做不到的，就好比我们要给手机加个装饰---贴个膜，难道我们要先改一下手机的内部结构吗？这明显是不合理，也是做不到的。
  • Add方法也不太合理，饮料不应该具有添加配料的能力，这好比给了手机一个膜，手机自己贴上了，总觉得哪里怪怪的。

改进三

其实，从设计原则的角度来讲，上一个方案的改进已经很接近了，因为它已经满足了开闭原则，扩展性方面也非常优秀，唯一的问题就是需要修改奶茶类，这通常是不能实现的。那么，我们思路再次转变一下，奶茶类不能改，但是配料可以改啊，我们换个依赖方向，将奶茶聚合到配料中不就可以了吗？于是就有了如下类图：
设计模式-装饰器模式-LMLPHP

再看看代码：

public abstract class Drink
{
    public string Name { get; set; }

    public int Price { get; set; }

    public abstract string Desc { get; }

    public abstract int Cost { get; }
}

饮品类还原到了最初状态，没做任何修改。

public class Peiliao:Drink
{
    protected readonly Drink Drink;

    public Peiliao(Drink drink)
    {
        Drink = drink;
    }

    public override string Desc
    {
        get
        {
            return Drink.Desc + "+" + this.Name;
        }
    }

    public override int Cost
    {
        get
        {
            return Drink.Cost + this.Price;
        }
    }
}

将饮品类聚合到了配料类中，但是这里和前一个方案又有所不同，因为配料毕竟是配料，聚合方向换了之后，通过new就只能得到配料而得不到奶茶了,因此，为了最终能得到奶茶，我们的配料也必须继承自饮品类，这看起来很怪，但妙也妙在这里，通过聚合+继承的方式改进，可使得饮品的扩展更灵活，同时也遵守了开闭原则。其中，聚合是为了实现功能，而继承是为了约束类型，这就是装饰者模式。

定义

装饰器模式动态地给一个对象增加一些额外的职责。就增加功能而言，装饰器模式比生成子类更为灵活。

UML类图

设计模式-装饰器模式-LMLPHP

优缺点

优点

  • 可动态的给一个对象增加额外的职责
  • 有很好地可扩展性

缺点

  • 增加了程序的复杂度，刚接触理解起来会比较困难

跟代理模式的区别

装饰器模式跟代理模式类图十分相似，但是，它们之间却有很大的区别：

  • 装饰器模式关注于在一个对象上动态的添加方法，而代理模式关注于控制对对象的访问。
  • 装饰器模式通常用聚合的方式，而代理模式通常采用组合的方式。
  • 装饰器模式通常会套用多层，而代理模式通常只有一层。

但是由于他们的结构十分相似，因此很多时候二者可以做同样的事，比如装饰器模式和代理模式都可用于实现AOP（面向切面编程）。

经典案例

在.NET类库中，System.IO.Stream就是装饰者模式的一个经典案例，不过在这个案例中没有用到Decorator基类。
设计模式-装饰器模式-LMLPHP

总结

装饰器模式可以说是结构型设计模式的巅峰之作，其中设计思想十分精妙，但理解起来也确实有些困难，因此，可能还是需自己动手撸码，加深体会。

源码链接

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