《设计模式》第六篇：装饰器模式

短剑重铸之日2026-02-04 18:13

本期内容为自己总结归档，共分十一章，本人遇到过的面试问题会重点标记。

《设计模式》第一篇：初识

《设计模式》第二篇：单例模式

《设计模式》第三篇：工厂模式

《设计模式》第四篇：观察模式

《设计模式》第五篇：策略模式

《设计模式》第六篇：装饰器模式

《设计模式》第七篇：适配器模式

《设计模式》第八篇：创建型模式

《设计模式》第九篇：结构型模式

《设计模式》第十篇：行为型模式

《设计模式》第十一篇：总结&常用案例

(若有任何疑问，可在评论区告诉我，看到就回复)

一、装饰器模式的核心概念

1.1 装饰器模式的定义

装饰器模式（Decorator Pattern）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。这种模式创建了一个装饰类，用来包装原有的类，并在保持类方法签名完整性的前提下，提供了额外的功能。

装饰器模式的核心思想：使用组合替代继承，实现功能的动态扩展。

1.2 ⭐装饰器模式的结构

装饰器模式包含四个关键角色：

  1. Component（组件接口）：定义对象的接口，可以动态地给这些对象添加职责

  2. ConcreteComponent（具体组件）：实现组件接口，是被装饰的原始对象

  3. Decorator（装饰器）：实现组件接口，并持有一个组件对象的引用

  4. ConcreteDecorator（具体装饰器）：向组件添加具体的功能

​

1.3 装饰器模式 vs 继承

装饰器模式提供了比继承更有弹性的替代方案：

对比维度 继承 装饰器模式
扩展方式 静态，编译时确定 动态，运行时确定
组合数量 有限（单继承） 无限（任意组合）
灵活性 低，不能动态改变 高，可以随时添加或移除
类数量 每个组合都需要新类 更少的类，更多的组合
代码复用 通过继承复用 通过组合复用

二、⭐装饰器模式的基础实现

2.1 装饰器解决方案示例

java 复制代码 
// 1. 组件接口：饮料
public interface Beverage {
    String getDescription();
    double getCost();
}

// 2. 具体组件：基础咖啡
public class Espresso implements Beverage {
    @Override
    public String getDescription() {
        return "浓缩咖啡";
    }
    
    @Override
    public double getCost() {
        return 15.0;
    }
}

public class Americano implements Beverage {
    @Override
    public String getDescription() {
        return "美式咖啡";
    }
    
    @Override
    public double getCost() {
        return 20.0;
    }
}

public class Latte implements Beverage {
    @Override
    public String getDescription() {
        return "拿铁咖啡";
    }
    
    @Override
    public double getCost() {
        return 25.0;
    }
}

// 3. 装饰器抽象类
public abstract class CondimentDecorator implements Beverage {
    protected Beverage beverage;
    
    public CondimentDecorator(Beverage beverage) {
        this.beverage = beverage;
    }
    
    @Override
    public abstract String getDescription();
}

// 4. 具体装饰器：各种配料
public class Milk extends CondimentDecorator {
    public Milk(Beverage beverage) {
        super(beverage);
    }
    
    @Override
    public String getDescription() {
        return beverage.getDescription() + " + 牛奶";
    }
    
    @Override
    public double getCost() {
        return beverage.getCost() + 5.0;
    }
}

public class Sugar extends CondimentDecorator {
    public Sugar(Beverage beverage) {
        super(beverage);
    }
    
    @Override
    public String getDescription() {
        return beverage.getDescription() + " + 糖";
    }
    
    @Override
    public double getCost() {
        return beverage.getCost() + 3.0;
    }
}

public class Chocolate extends CondimentDecorator {
    public Chocolate(Beverage beverage) {
        super(beverage);
    }
    
    @Override
    public String getDescription() {
        return beverage.getDescription() + " + 巧克力";
    }
    
    @Override
    public double getCost() {
        return beverage.getCost() + 8.0;
    }
}

public class Cream extends CondimentDecorator {
    public Cream(Beverage beverage) {
        super(beverage);
    }
    
    @Override
    public String getDescription() {
        return beverage.getDescription() + " + 奶油";
    }
    
    @Override
    public double getCost() {
        return beverage.getCost() + 6.0;
    }
}

// 5. 客户端使用
public class CoffeeShop {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("=== 装饰器模式咖啡店 ===");
        
        // 1. 纯美式咖啡
        Beverage americano = new Americano();
        System.out.println(americano.getDescription() + " 价格: ¥" + americano.getCost());
        
        // 2. 拿铁 + 牛奶 + 糖
        Beverage latte = new Latte();
        latte = new Milk(latte);
        latte = new Sugar(latte);
        System.out.println(latte.getDescription() + " 价格: ¥" + latte.getCost());
        
        // 3. 浓缩咖啡 + 所有配料
        Beverage deluxe = new Espresso();
        deluxe = new Milk(deluxe);
        deluxe = new Sugar(deluxe);
        deluxe = new Chocolate(deluxe);
        deluxe = new Cream(deluxe);
        System.out.println(deluxe.getDescription() + " 价格: ¥" + deluxe.getCost());
        
        // 4. 动态移除装饰器（通过不添加即可）
        Beverage simpleCoffee = new Americano();
        simpleCoffee = new Milk(simpleCoffee);
        // 想要移除牛奶？只需不使用Milk装饰器即可
        
        System.out.println("\n=== 装饰器链结构 ===");
        printDecoratorChain(deluxe);
    }
    
    private static void printDecoratorChain(Beverage beverage) {
        System.out.println("装饰器链:");
        while (beverage instanceof CondimentDecorator) {
            System.out.println("  ↳ " + beverage.getClass().getSimpleName());
            beverage = ((CondimentDecorator) beverage).beverage;
        }
        System.out.println("  ↳ " + beverage.getClass().getSimpleName());
    }
}

2.2 装饰器模式的工作原理

装饰器模式通过包装的方式工作：

  1. 每个装饰器都包装了一个组件

  2. 调用装饰器的方法时，会先调用被包装组件的方法，然后添加自己的行为

  3. 可以无限嵌套装饰器，形成装饰器链

三、装饰器模式在Java标准库中的应用

3.1 Java I/O流：装饰器模式的经典应用

java 复制代码 
public class IOStreamDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String data = "Hello, Decorator Pattern!";
        
        // 1. 基本文件输出流
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream("test.txt");
        fos.write(data.getBytes());
        fos.close();
        
        // 2. 添加缓冲功能（装饰器）
        BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(
            new FileOutputStream("test_buffered.txt")
        );
        bos.write(data.getBytes());
        bos.flush();
        bos.close();
        
        // 3. 添加数据输出功能
        DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
            new BufferedOutputStream(
                new FileOutputStream("test_data.txt")
            )
        );
        dos.writeUTF(data);
        dos.close();
        
        // 4. 读取时也使用装饰器链
        FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
        BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(fis);
        DataInputStream dis = new DataInputStream(bis);
        
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int bytesRead = bis.read(buffer);
        System.out.println("读取到 " + bytesRead + " 字节");
        
        // 5. 查看装饰器链
        System.out.println("\n=== I/O流装饰器链 ===");
        InputStream stream = dis;
        while (stream != null) {
            System.out.println("  ↳ " + stream.getClass().getSimpleName());
            
            // 通过反射获取包装的流
            try {
                Field inField = FilterInputStream.class.getDeclaredField("in");
                inField.setAccessible(true);
                stream = (InputStream) inField.get(stream);
            } catch (Exception e) {
                stream = null;
            }
        }
    }
}

3.2 Java I/O流类的设计

Java I/O流类的UML简化结构：

关键点：

  1. FilterInputStream是所有装饰器的基类

  2. 每个装饰器都持有一个InputStream的引用

  3. 装饰器可以透明地添加功能（如缓冲、数据类型转换等）

3.3 Java集合框架中的装饰器

java 复制代码 
public class CollectionsDecoratorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("Apple");
        list.add("Banana");
        list.add("Cherry");
        
        // 1. 创建不可修改的列表（装饰器）
        List<String> unmodifiableList = Collections.unmodifiableList(list);
        
        try {
            unmodifiableList.add("Date"); // 抛出异常
        } catch (UnsupportedOperationException e) {
            System.out.println("不可修改列表不允许添加元素");
        }
        
        // 2. 创建同步列表（装饰器）
        List<String> synchronizedList = Collections.synchronizedList(list);
        
        // 3. 创建只读视图（装饰器）
        Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
        map.put("A", 1);
        map.put("B", 2);
        
        Map<String, Integer> readOnlyMap = Collections.unmodifiableMap(map);
        
        // 4. 验证装饰器类型
        System.out.println("原始列表类型: " + list.getClass().getSimpleName());
        System.out.println("装饰后类型: " + unmodifiableList.getClass().getSimpleName());
    }
}

四、装饰器模式的高级应用

4.1 带状态的装饰器

装饰器不仅可以添加行为，还可以添加状态：

java 复制代码 
// 带有折扣功能的装饰器
public class DiscountDecorator extends CondimentDecorator {
    private double discountRate; // 折扣率，如0.8表示8折
    
    public DiscountDecorator(Beverage beverage, double discountRate) {
        super(beverage);
        this.discountRate = discountRate;
    }
    
    @Override
    public String getDescription() {
        return beverage.getDescription() + String.format(" (%.0f折)", discountRate * 10);
    }
    
    @Override
    public double getCost() {
        return beverage.getCost() * discountRate;
    }
    
    // 可以动态改变折扣率
    public void setDiscountRate(double discountRate) {
        this.discountRate = discountRate;
    }
}

// 使用示例
public class DiscountDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Beverage coffee = new Americano();
        coffee = new Milk(coffee);
        coffee = new DiscountDecorator(coffee, 0.8); // 8折
        
        System.out.println("折扣咖啡: " + coffee.getDescription());
        System.out.println("原价: ¥" + (new Milk(new Americano()).getCost()));
        System.out.println("折扣价: ¥" + coffee.getCost());
    }
}

4.2 条件装饰器

装饰器可以根据条件决定是否添加功能：

java 复制代码 
public class ConditionalDecorator extends CondimentDecorator {
    private boolean condition;
    private double extraCost;
    private String extraDesc;
    
    public ConditionalDecorator(Beverage beverage, boolean condition, 
                                double extraCost, String extraDesc) {
        super(beverage);
        this.condition = condition;
        this.extraCost = extraCost;
        this.extraDesc = extraDesc;
    }
    
    @Override
    public String getDescription() {
        if (condition) {
            return beverage.getDescription() + " + " + extraDesc;
        }
        return beverage.getDescription();
    }
    
    @Override
    public double getCost() {
        if (condition) {
            return beverage.getCost() + extraCost;
        }
        return beverage.getCost();
    }
    
    public void setCondition(boolean condition) {
        this.condition = condition;
    }
}

4.3 ⭐装饰器工厂

结合工厂模式管理装饰器的创建：

java 复制代码 
public class BeverageFactory {
    public static Beverage createBeverage(String base, String... condiments) {
        Beverage beverage;
        
        // 创建基础咖啡
        switch (base.toLowerCase()) {
            case "espresso": beverage = new Espresso(); break;
            case "americano": beverage = new Americano(); break;
            case "latte": beverage = new Latte(); break;
            default: throw new IllegalArgumentException("未知的咖啡类型");
        }
        
        // 添加装饰器
        for (String condiment : condiments) {
            switch (condiment.toLowerCase()) {
                case "milk": beverage = new Milk(beverage); break;
                case "sugar": beverage = new Sugar(beverage); break;
                case "chocolate": beverage = new Chocolate(beverage); break;
                case "cream": beverage = new Cream(beverage); break;
                default: System.out.println("忽略未知配料: " + condiment);
            }
        }
        
        return beverage;
    }
}

// 使用工厂
Beverage myCoffee = BeverageFactory.createBeverage(
    "latte", "milk", "sugar", "chocolate"
);

五、装饰器模式在Spring框架中的应用

5.1 Spring AOP中的装饰器模式

Spring AOP（面向切面编程）大量使用了装饰器模式的思想：

java 复制代码 
// 业务接口
public interface UserService {
    User getUserById(Long id);
    void saveUser(User user);
}

// 业务实现
@Service
public class UserServiceImpl implements UserService {
    @Override
    public User getUserById(Long id) {
        System.out.println("获取用户: " + id);
        return new User(id, "张三");
    }
    
    @Override
    public void saveUser(User user) {
        System.out.println("保存用户: " + user.getName());
    }
}

// AOP切面（类似装饰器）
@Aspect
@Component
public class LoggingAspect {
    
    @Before("execution(* com.example.service.*.*(..))")
    public void logBefore(JoinPoint joinPoint) {
        System.out.println("方法执行前: " + joinPoint.getSignature().getName());
    }
    
    @AfterReturning(pointcut = "execution(* com.example.service.*.*(..))", 
                   returning = "result")
    public void logAfterReturning(JoinPoint joinPoint, Object result) {
        System.out.println("方法执行后: " + joinPoint.getSignature().getName());
    }
    
    @Around("execution(* com.example.service.*.*(..))")
    public Object measurePerformance(ProceedingJoinPoint pjp) throws Throwable {
        long start = System.currentTimeMillis();
        Object result = pjp.proceed();
        long elapsed = System.currentTimeMillis() - start;
        System.out.println("方法执行时间: " + elapsed + "ms");
        return result;
    }
}

5.2 Spring Security中的装饰器

Spring Security使用装饰器模式增强安全功能：

java 复制代码 
// 安全上下文包装器
public class SecurityContextDecorator implements SecurityContext {
    private SecurityContext wrappedContext;
    
    public SecurityContextDecorator(SecurityContext wrappedContext) {
        this.wrappedContext = wrappedContext;
    }
    
    @Override
    public Authentication getAuthentication() {
        Authentication auth = wrappedContext.getAuthentication();
        if (auth != null) {
            // 添加额外的安全检查
            return new EnhancedAuthentication(auth);
        }
        return null;
    }
    
    @Override
    public void setAuthentication(Authentication authentication) {
        // 在设置前进行验证
        validateAuthentication(authentication);
        wrappedContext.setAuthentication(authentication);
    }
    
    private void validateAuthentication(Authentication auth) {
        // 验证逻辑
    }
}

// 增强的认证对象
public class EnhancedAuthentication implements Authentication {
    private Authentication original;
    
    public EnhancedAuthentication(Authentication original) {
        this.original = original;
    }
    
    @Override
    public Collection<? extends GrantedAuthority> getAuthorities() {
        Collection<GrantedAuthority> authorities = new ArrayList<>(
            original.getAuthorities()
        );
        // 添加默认权限
        authorities.add(new SimpleGrantedAuthority("ROLE_USER"));
        return authorities;
    }
    
    @Override
    public Object getCredentials() {
        return original.getCredentials();
    }
    
    // 其他方法委托给original...
}

六、总结

6.1 何时使用装饰器模式

使用装饰器模式的典型场景：

  1. 需要动态、透明地添加功能：在不影响其他对象的情况下，动态地给单个对象添加职责

  2. 需要撤销的功能：装饰器可以轻松地添加或移除

  3. 通过继承扩展不现实时：子类数量爆炸，或者类定义被隐藏无法用于继承

  4. 需要大量功能组合：不同功能的排列组合数量庞大

6.2 优缺点

装饰模式的优点：

  1. 使用装饰模式来实现扩展比继承更加灵活，它可以在不需要创造更多子类的情况下，将对象的功能加以扩展。

  2. 可以动态地给一个对象附加更多的功能。

  3. 可以用不同的装饰器 进行多重装饰，装饰的顺序不同，可能产生不同的效果。

  4. 装饰类和被装饰类可以独立发展，不会相互耦合；装饰模式相当于是继承的一个替代模式。

装饰模式的缺点：

  1. 与继承相比，用装饰的方式拓展功能更加容易出错，排错也更困难。

  2. 对于多次装饰的对象，调试时寻找错误可能需要逐级排查，较为烦琐。

6.3 核心要点

  1. 设计原则体现：

    • 开闭原则：可以添加新装饰器而不修改现有代码

    • 单一职责：每个装饰器只负责一个特定的功能

    • 组合优于继承：使用组合实现功能的灵活扩展

  2. 实现关键：

    • 装饰器和被装饰对象实现相同的接口

    • 装饰器持有被装饰对象的引用

    • 装饰器在被装饰对象行为的前后添加自己的行为

  3. 在Java和Spring中的应用：

    • Java I/O流的经典实现

    • Java集合框架的视图包装

    • Spring AOP的切面编程

    • Spring Web的请求/响应包装

    • Spring Security的安全增强

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