Python设计模式详解之9 —— 装饰器模式

设计模式概述

Decorator 设计模式 允许我们通过组合的方式动态地为对象添加新功能，而无需修改对象的代码。该模式由以下几个角色组成：

1. Component（组件）：定义了一个接口，用于定义所有对象的公共操作。
2. ConcreteComponent（具体组件）：实现了组件接口的类，表示要被装饰的对象。
3. Decorator（装饰器）：继承自组件接口，并在内部持有一个组件实例，用来包装（装饰）原始组件。
4. ConcreteDecorator（具体装饰器）：具体的装饰器，添加额外的行为或功能。

UML 图（使用 Markdown text 标签绘制）

      +-------------------+        +-------------------+
      |     Component     |<>------|     Decorator     |
      +-------------------+        +-------------------+
               ^                           ^
               |                           |
    +---------------------+       +----------------------+
    | ConcreteComponent    |       | ConcreteDecorator    |
    +---------------------+       +----------------------+

设计模式实现

在 Python 中，我们可以使用装饰器模式来动态地添加功能。下面的例子展示了如何通过装饰器给 SimpleCoffee 类添加新功能：

Python 实现示例

from abc import ABC, abstractmethod

# 组件接口
class Coffee(ABC):
    @abstractmethod
    def cost(self):
        pass

# 具体组件
class SimpleCoffee(Coffee):
    def cost(self):
        return 5  # 简单咖啡的价格

# 装饰器基类
class CoffeeDecorator(Coffee):
    def __init__(self, coffee: Coffee):
        self._coffee = coffee  # 组合具体的咖啡对象

    @abstractmethod
    def cost(self):
        pass

# 具体装饰器 1: 加奶
class MilkDecorator(CoffeeDecorator):
    def cost(self):
        return self._coffee.cost() + 2  # 加奶的价格

# 具体装饰器 2: 加糖
class SugarDecorator(CoffeeDecorator):
    def cost(self):
        return self._coffee.cost() + 1  # 加糖的价格

# 客户端代码
coffee = SimpleCoffee()
print(f"Simple Coffee cost: ${coffee.cost()}")

# 使用装饰器
milk_coffee = MilkDecorator(coffee)
print(f"Milk Coffee cost: ${milk_coffee.cost()}")

sugar_milk_coffee = SugarDecorator(milk_coffee)
print(f"Milk Coffee with Sugar cost: ${sugar_milk_coffee.cost()}")

代码解释

1. Coffee 接口定义了所有具体咖啡类必须实现的 cost() 方法。
2. SimpleCoffee 类是基础的咖啡类，计算其基本价格。
3. CoffeeDecorator 是装饰器的基类，所有具体的装饰器都将继承这个类，并实现 cost() 方法。
4. MilkDecorator 和 SugarDecorator 是具体的装饰器，分别为咖啡添加奶和糖，计算新的价格。
5. 客户端代码演示了如何通过装饰器来动态地给 SimpleCoffee 添加不同的功能（奶和糖）。

输出

Simple Coffee cost: $5
Milk Coffee cost: $7
Milk Coffee with Sugar cost: $8

优点

• 灵活性高：可以在运行时决定是否使用装饰器，动态增加功能。
• 避免子类化：通过装饰器组合方式增加功能，而不必通过继承。
• 符合开闭原则：可以通过添加新的装饰器来扩展功能，而不需要修改已有代码。

缺点

• 装饰器数量过多时会增加复杂性：如果装饰器太多，可能会导致系统过于复杂，难以理解。
• 每次装饰都会创建新的对象：可能会引入一些额外的对象创建和性能开销。

总结

Decorator 模式 是一种非常灵活的设计模式，它允许我们在不修改原有类的基础上，动态地为对象添加新的行为。通过组合多个装饰器，我们可以高效地扩展对象的功能，避免过度使用继承。该模式广泛应用于图形界面、输入输出流、缓存、网络协议等领域。