设计模式---单一职责模式之装饰模式（Decorator）

前提："单一职责"模式

在软件组件的设计中，如果责任划分的不清晰，使用继承，得到的结果往往是随着需求的变化，子类急剧膨胀，同时充斥着重复代码，这时候的关键是划清责任

典型模式（表现最为突出）

装饰模式Decorator
桥接模式Bridge

 一：装饰模式

（一）概念

装饰模式又叫做包装模式。通过一种对客户端透明的方式来扩展对象的功能，是继承关系的一个替换方案。

装饰模式就是把要添加的附加功能分别放在单独的类中，并让这个类包含它要装饰的对象，当需要执行时，客户端就可以有选择的，顺序的使用装饰功能包装对象

（二）动机

在某些情况下我们可能会“过度的使用继承来扩展对象的功能”，由于继承为类型引入的静态特质，使得这种扩展方式缺乏灵活性；
并且随着子类的增多（扩展功能的增多），各种子类的组合（扩展功能的组合）会导致更多的子类膨胀。
即我们需要找到一种方式，实现功能可通过非继承方式扩展，但是接口不发生变化的类。

如何使“对象功能的扩展”能够根据需要来动态地实现？同时避免“扩展功能的增多”带来的子类膨胀问题？
从而使得任何“功能扩展变化”所导致的影响将为最低？

（三）原代码讲解（流操作） 

文件流，内存流，网络流，有对流进行加密，缓存等操作

//业务操作
class Stream{　　//公共基类，含有共有方法
public：
    virtual char Read(int number)=0;
    virtual void Seek(int position)=0;
    virtual void Write(char data)=0;
    
    virtual ~Stream(){}
};

//主体类：文件流，网络流，内存流三个类
class FileStream: public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位文件流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写文件流
    }

};

class NetworkStream :public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读网络流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位网络流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写网络流
    }
    
};

class MemoryStream :public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读内存流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位内存流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写内存流
    }
    
};

//扩展操作，对各个流进行操作，加密
class CryptoFileStream :public FileStream{
public:
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        FileStream::Read(number);//读文件流　　静态特质，定死了，永远都是文件操作
        
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        FileStream::Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        FileStream::Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};

class CryptoNetworkStream : :public NetworkStream{
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        NetworkStream::Read(number);//读网络流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        NetworkStream::Seek(position);//定位网络流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        NetworkStream::Write(data);//写网络流
        //额外的加密操作...
    }
};

class CryptoMemoryStream : public MemoryStream{
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        MemoryStream::Read(number);//读内存流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        MemoryStream::Seek(position);//定位内存流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        MemoryStream::Write(data);//写内存流
        //额外的加密操作...
    }
};

//扩展操作，对各个流进行操作，缓存操作
class BufferedFileStream : public FileStream{
    //...
};

class BufferedNetworkStream : public NetworkStream{
    //...
};

class BufferedMemoryStream : public MemoryStream{
    //...
}


//扩展操作，对各个流进行操作，加密和缓存组合操作，这里只写了一个，实际上有多种组合
class CryptoBufferedFileStream :public FileStream{
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        //额外的缓冲操作...
        FileStream::Read(number);//读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        //额外的缓冲操作...
        FileStream::Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
        //额外的缓冲操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        //额外的缓冲操作...
        FileStream::Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
        //额外的缓冲操作...
    }
};



void Process(){

    //编译时装配
    CryptoFileStream *fs1 = new CryptoFileStream();

    BufferedFileStream *fs2 = new BufferedFileStream();

    CryptoBufferedFileStream *fs3 =new CryptoBufferedFileStream();

}

出现的问题：

需要的类的个数是：
            1+n+n*(m+m-1+...+2+1)        
其中n是我们流的个数,m是我们的操作类型个数。
我们上面的n=3,m=2所以需要的类是13个

问题的原因

除了其中的具体操作，例如：文件读取，网络读取等不同，我们发现所有的加密和缓存操作都是一样的方法，出现大量代码冗余，

（四）改进版本一（组合代替继承）

//扩展操作
class CryptoFileStream{
    FileStream* stream;
public:
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读文件流
        
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream->Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream->Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};

class CryptoNetworkStream{
    NetworkStream* stream;
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读网络流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream->Seek(position);//定位网络流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream->Write(data);//写网络流
        //额外的加密操作...
    }
};

class CryptoMemoryStream{
    NetworkStream* stream;
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读内存流　　
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream->Seek(position);//定位内存流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream->Write(data);//写内存流
        //额外的加密操作...
    }
};

当一个变量的声明类型都是某个类的子类的时候，我们就该将他声明为某个类（基类），由于多态，我们可以使得他在未来（运行时）成为子类

//扩展操作
class CryptoFileStream{
    Stream* stream;　　//使用基类，消除了编译时依赖
public:
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读文件流
        
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream->Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream->Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};

class CryptoNetworkStream{
    Stream* stream;
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读网络流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream->Seek(position);//定位网络流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream->Write(data);//写网络流
        //额外的加密操作...
    }
};

class CryptoMemoryStream{
    Stream* stream;
public:
    virtual char Read(int number){
        
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读内存流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream->Seek(position);//定位内存流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream->Write(data);//写内存流
        //额外的加密操作...
    }
};

我们发现这3个类一样，除了类名之外都相同，所以我们可以进行合并，消除重复性

//扩展操作
class CryptoFileStream{
    Stream* stream;
public:
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读文件流
        
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream->Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream->Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};


class BufferedFileStream{　　//所有相同操作都将去重，只保留一个
//...
};

同时发现一个问题，我们从继承转组合以后的虚函数哪来的？我们还是要遵循留的规范，即基类为我们设置的接口虚函数。我们还是需要进行继承，完善接口规范，不过只需要继承流的基类即可

//扩展操作
class CryptoStream :public Stream{
    Stream* stream;
public:
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读文件流
        
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream->Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream->Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};


class BufferedStream : :public Stream{
    //...
};

下面是全部修改代码

//业务操作
class Stream{

public：
    virtual char Read(int number)=0;
    virtual void Seek(int position)=0;
    virtual void Write(char data)=0;
    
    virtual ~Stream(){}
};

//主体类
class FileStream: public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位文件流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写文件流
    }

};

class NetworkStream :public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读网络流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位网络流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写网络流
    }
    
};

class MemoryStream :public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读内存流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位内存流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写内存流
    }
    
};

//扩展操作
class CryptoStream: public Stream {
    
    Stream* stream;//...

public:
    CryptoStream(Stream* stm):stream(stm){
    
    }
    
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读文件流　　//动态特质：由组合实现
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream::Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream::Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};

class BufferedStream : public Stream{
    
    Stream* stream;//...
    
public:
    BufferedStream(Stream* stm):stream(stm){
        
    }
    //...
};

void Process(){

    //运行时装配
    FileStream* s1=new FileStream();
    CryptoStream* s2=new CryptoStream(s1);
    
    BufferedStream* s3=new BufferedStream(s1);
    //上面对s2加密了，我们再进行s2的缓存，实现了既加密又缓存
    BufferedStream* s4=new BufferedStream(s2);
}

运行时装配：

我们编译时不存在文件加密，网络加密，文件缓存，文件加密缓存等操作，我们在运行时对其进行组合装配起来满足我们的需求

另外注意：

根据重构中所说：当我们类中含有重复字段和方法，我们应该将其提到前面基类中去，这里我们若是将Stream* stream提到Stream基类中去，会发现在主体类中会包含这个不需要的字段，所以这个时候我们应该设计一个中间基类。这时就引用出来了装饰模式

（五）改进版本二（使用装饰模式<中间基类>）

//扩展操作
//中间类
class DecoratorStream: public Stream{
protected:
    Stream* stream;
public:    
    DecoratorStream(Stream* stm):stream(stm){}
};

class CryptoStream: public DecoratorStream {
public:
    CryptoStream(Stream* stm):DecoratorStream(stm){
    
    }
    
    
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream::Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream::Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};



class BufferedStream : public DecoratorStream{    
public:
    BufferedStream(Stream* stm):DecoratorStream(stm){
        
    }
    //...
};

最终规模是：1+n+1+m

全部代码

//业务操作
class Stream{

public：
    virtual char Read(int number)=0;
    virtual void Seek(int position)=0;
    virtual void Write(char data)=0;
    
    virtual ~Stream(){}
};

//主体类
class FileStream: public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位文件流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写文件流
    }

};

class NetworkStream :public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读网络流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位网络流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写网络流
    }
    
};

class MemoryStream :public Stream{
public:
    virtual char Read(int number){
        //读内存流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //定位内存流
    }
    virtual void Write(char data){
        //写内存流
    }
    
};

//扩展操作

DecoratorStream: public Stream{
protected:
    Stream* stream;//...核心
    
    DecoratorStream(Stream * stm):stream(stm){
    
    }
    
};

class CryptoStream: public DecoratorStream {

public:
    CryptoStream(Stream* stm):DecoratorStream(stm){
    
    }
    
    
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读文件流
    }
    virtual void Seek(int position){
        //额外的加密操作...
        stream::Seek(position);//定位文件流
        //额外的加密操作...
    }
    virtual void Write(byte data){
        //额外的加密操作...
        stream::Write(data);//写文件流
        //额外的加密操作...
    }
};


class BufferedStream : public DecoratorStream{
    
public:
    BufferedStream(Stream* stm):DecoratorStream(stm){
        
    }
    //...
};


void Process(){

    //运行时装配
    FileStream* s1=new FileStream();
    
    CryptoStream* s2=new CryptoStream(s1);
    
    BufferedStream* s3=new BufferedStream(s1);
    
    BufferedStream* s4=new BufferedStream(s2);
}

以组合的方式来支持未来多态的变化

（六）模式定义

动态（组合）地给一个对象增加一些额外的职责。就增加功能而言，Decorator模式比生成子类（继承）更为灵活（消除重复代码 & 减少子类个数）。
                           　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   ——《设计模式》GoF

（七）类图（结构）

（八）要点总结

1.通过采用组合而非继承的手法， Decorator模式实现了在运行时 动态扩展对象功能的能力，而且可以根据需要扩展多个功能。避免了使用继承带来的“灵活性差”和“多子类衍生问题”。

2.Decorator类在接口上表现为is-a Component的继承关系，即Decorator类继承了Component类所具有的接口。但在实现上又 表现为has-a Component的组合关系，即Decorator类又使用了 另外一个Component类。

DecoratorStream: public Stream{
protected:
    Stream* stream;//...
    
    DecoratorStream(Stream * stm):stream(stm){
    
    }
    
};

若是程序中一个类的父类和他的字段类是同一个类的，那么他有极大的几率是Decorator模式。因为一般继承就不组合，组合就不继承

而我们这里的继承是为了接口的规范，组合是为了将来支持具体实现类

3.Decorator模式的目的并非解决“多子类衍生的多继承”问题， Decorator模式应用的要点在于解决“主体类在多个方向上的扩展 功能”——是为“装饰”的含义。

主体操作和扩展操作应该分开分之继承 

（九）案例实现（装饰车）

//业务规范
class Car
{
public:
    virtual void show() = 0;
    virtual ~Car(){}
};

//主体类
class RunCar :public Car
{
public:
    virtual void show()
    {
        cout << "running" << endl;
    }
};


class SwimCar :public Car
{
public:
    virtual void show()
    {
        cout << "swimming" << endl;
    }
};

class FlyCar :public Car
{
public: 
    virtual void show()
    {
        cout << "flying" << endl;
    }
};

//装饰中间类
class DecoratorCar : public Car
{
protected:
    Car * car;
public:
    DecoratorCar(Car* c) :car(c){}
};

//扩展操作类
class EquipEngine :public DecoratorCar
{
public:
    EquipEngine(Car* c) :DecoratorCar(c)
    {
    }

    virtual void show()
    {
        cout << "equip engine can run fast" << endl;
        car->show();
    }
};

class EquipWing :public DecoratorCar
{
public:
    EquipWing(Car* c) :DecoratorCar(c)
    {
    }

    virtual void show()
    {
        cout << "equip wing can fly" << endl;
        car->show();
    }
};

class EquipPaddle :public DecoratorCar
{
public:
    EquipPaddle(Car* c) :DecoratorCar(c)
    {
    }

    virtual void show()
    {
        cout << "equip paddle can swing" << endl;
        car->show();
    }
};

int main()
{
    SwimCar* car = new SwimCar();
    EquipPaddle *scar = new EquipPaddle(car);
    EquipEngine *ecar = new EquipEngine(scar);
    EquipWing *wcar = new EquipWing(ecar);

    wcar->show();
    system("pause");
    return 0;
}