Java IO 与 装饰者模式（Decorator Pattern）

Java IO 与 装饰者模式（Decorator Pattern）

装饰者模式是 Java IO 体系的核心设计模式，它通过动态组合功能，实现了流的灵活扩展。以下是装饰者模式在 Java IO 中的深度解析：

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一、装饰者模式核心概念

1. 模式定义

• 目的：动态地给对象添加额外的职责，而不改变其结构。
• 角色：
  • 组件（Component）：定义接口（如 InputStream/OutputStream）。
  • 具体组件（ConcreteComponent）：实现接口的类（如 FileInputStream）。
  • 装饰者（Decorator）：持有组件引用并实现接口（如 FilterInputStream）。
  • 具体装饰者（ConcreteDecorator）：添加具体功能（如 BufferedInputStream）。

2. 类图关系

           Component
          /      \
    ConcreteComponent  Decorator
          |           |
    FileInputStream  FilterInputStream
                      /       \
           BufferedInputStream  DataInputStream

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二、Java IO 中的装饰者模式实现

1. 抽象组件（Component）

• 字节流接口：

  public abstract class InputStream {
      public abstract int read() throws IOException;
      // 其他方法...
  }
  

• 字符流接口：

  public abstract class Reader {
      public abstract int read(char[] cbuf, int off, int len) throws IOException;
      // 其他方法...
  }
  

2. 具体组件（ConcreteComponent）

• 节点流：直接操作数据源的类。

  public class FileInputStream extends InputStream {
      // 直接读取文件
  }
  

3. 抽象装饰者（Decorator）

• 字节流装饰者：

  public abstract class FilterInputStream extends InputStream {
      protected InputStream in; // 持有组件引用
      protected FilterInputStream(InputStream in) {
          this.in = in;
      }
      // 委托实现基础方法
      public int read() throws IOException {
          return in.read();
      }
  }
  

• 字符流装饰者：

  public abstract class FilterReader extends Reader {
      protected Reader in;
      protected FilterReader(Reader in) {
          this.in = in;
      }
      // 委托实现基础方法
      public int read(char[] cbuf, int off, int len) throws IOException {
          return in.read(cbuf, off, len);
      }
  }
  

4. 具体装饰者（ConcreteDecorator）

• 功能增强类：

  // 缓冲输入流
  public class BufferedInputStream extends FilterInputStream {
      private byte[] buf; // 缓冲区
      public BufferedInputStream(InputStream in) {
          super(in);
          this.buf = new byte[8192]; // 默认8KB缓冲
      }
      // 重写 read() 方法实现缓冲逻辑
      public synchronized int read() throws IOException {
          if (pos >= count) {
              fill(); // 从底层流填充缓冲区
          }
          return buf[pos++] & 0xFF;
      }
  }
  
  // 数据输入流（支持基本类型读写）
  public class DataInputStream extends FilterInputStream {
      public DataInputStream(InputStream in) {
          super(in);
      }
      // 添加 readInt(), readUTF() 等方法
      public final int readInt() throws IOException {
          int ch1 = in.read();
          int ch2 = in.read();
          int ch3 = in.read();
          int ch4 = in.read();
          // 组合为 int
          return ((ch1 << 24) + (ch2 << 16) + (ch3 << 8) + (ch4 << 0));
      }
  }
  

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三、装饰者模式的优势

1. 动态功能组合

• 通过链式调用叠加功能：

  // 组合缓冲流和数据流
  DataInputStream dis = new DataInputStream(
      new BufferedInputStream(
          new FileInputStream("data.bin")
      )
  );
  

2. 符合开闭原则

• 新增功能无需修改现有类（如添加 GZIPInputStream 压缩功能）。

3. 代码复用

• 共享 FilterInputStream 的基础逻辑（如错误处理）。

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四、典型应用场景

1. 缓冲优化

• 问题：频繁小数据量IO性能低下。
• 解决方案：用 BufferedInputStream/BufferedReader 减少系统调用次数。

2. 格式化读写

• 场景：读写结构化数据（如二进制协议、CSV）。
• 工具类：
  • DataInputStream/DataOutputStream：读写基本类型。
  • PrintStream/PrintWriter：格式化文本输出。

3. 编码转换

• 场景：处理不同字符集（如UTF-8、GBK）。
• 工具类：

  InputStreamReader isr = new InputStreamReader(
      new FileInputStream("file.txt"), 
      StandardCharsets.UTF_8
  );
  

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五、装饰者模式 vs 继承

特性	装饰者模式	继承
扩展性	运行时动态组合功能	编译时固定功能
代码复用	共享装饰者基类逻辑	需重复实现基础功能
类层次	扁平化，避免类爆炸	深层次继承树
典型问题	需谨慎处理委托链	脆弱的基类

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六、总结

Java IO 通过装饰者模式实现了：

1. 流的灵活扩展：动态组合缓冲、编码、格式化等功能。
2. 代码复用：共享 FilterInputStream/FilterReader 的基础逻辑。
3. 符合开闭原则：新增功能无需修改现有类。

理解装饰者模式，有助于：

• 深入掌握Java IO的设计哲学。
• 在自定义流处理时，正确扩展功能而非继承。
• 识别类似设计模式（如Servlet Filter、Spring AOP）。