装饰模式

思考并回答以下问题：

• 抽象装饰类继承抽象构件类并引用它。怎么理解？
• 对于扩展一个对象的功能，装饰模式比继承更加灵活。为什么？
• 装饰模式为什么是一种结构型模式？
• 装饰模式包含抽象构件、具体构件、抽象装饰类和具体装饰类4个角色。这四种如何组合？
• 半透明模式和透明模式有什么区别？

本章导学

装饰模式是一种用于替代继承的技术，它通过一种无须定义子类的方式给对象动态增加职责，使用对象之间的关联关系取代类之间的继承关系。装饰模式降低了系统的耦合度，可以动态增加或删除对象的职责，并使得需要装饰的具体构件类和用于装饰的具体装饰类都可以独立变化，增加新的具体构件类和具体装饰类都非常方便，符合开闭原则。

本章将学习装饰模式的定义与结构，通过实例学习装饰模式的使用，并学习透明装饰模式和半透明装饰模式的区别与实现。

本章知识点

• 装饰模式的定义
• 装饰模式的结构
• 装饰模式的实现
• 装饰模式的应用
• 装饰模式的优缺点
• 装饰模式的适用环境
• 透明装饰模式与半透明装饰模式

装饰模式概述

对新房进行装修并没有改变房屋用于居住的本质，但它可以让房子变得更漂亮、更温馨、更实用、更能满足居家的需求。在软件设计中，也有一种类似新房装修的技术可以对已有对象（新房）的功能进行扩展（装修），以获得更加符合用户需求的对象，使得对象具有更加强大的功能，这种技术在设计模式中被称为装饰模式。

装饰模式可以在不改变一个对象本身功能的基础上给对象增加额外的新行为，在现实生活中，这种情况也到处存在。例如一张照片，用户可以不改变照片本身，给它增加一个相框，使它具有防潮的功能，还可以根据需要给它增加不同类型的相框，甚至可以在一个小相框的外面再套一个大相框，如图1所示。

图1 装饰模式示意图

在软件设计中，装饰模式是一种用于替代继承的技术，它通过一种无须定义子类的方式给对象动态增加职责，使用对象之间的关联关系取代类之间的继承关系。在装饰模式中引入了装饰类，在装饰类中既可以调用待装饰的原有类的方法，还可以增加新的方法，以扩展原有类的功能。

装饰模式的定义如下：

动态地给一个对象增加一些额外的职责。就扩展功能而言，装饰模式提供了一种比使用子类更加灵活的替代方案。

装饰模式是一种对象结构型模式，它以对客户透明的方式动态地给一个对象附加上更多的责任，可以在不需要创建更多子类的情况下，让对象的功能得以扩展。

装饰模式的结构与实现

装饰模式的结构

装饰模式的结构如图2所示。

图2 装饰模式结构图

由图2可知，装饰模式包含以下4个角色。

(1)Component（抽象构件）：它是具体构件和抽象装饰类的共同父类，声明了在具体构件中实现的业务方法，它的引入可以使客户端以一致的方式处理未被装饰的对象以及装饰之后的对象，实现客户端的透明操作。

(2)ConcreteComponent（具体构件）：它是抽象构件类的子类，用于定义具体的构件对象，实现了在抽象构件中声明的方法，装饰类可以给它增加额外的职责（方法）。

(3)Decorator（抽象装饰类）：它也是抽象构件类的子类，用于给具体构件增加职责，但是具体职责通常在其子类中实现。它维护一个指向抽象构件对象的引用，通过该引用可以调用装饰之前构件对象的方法，并通过其子类扩展该方法，以达到装饰的目的。

(4)ConcreteDecorator（具体装饰类）：它是抽象装饰类的子类，负责向构件添加新的职责。每一个具体装饰类都定义了一些新的行为，它可以调用在抽象装饰类中定义的方法，并可以增加新的方法，以扩展对象的行为。

装饰模式的实现

在装饰模式中，抽象构件类一般设计为抽象类或者接口，在其中声明了抽象业务方法，当然，也可以在抽象构件类中实现一些所有具体构件类都共有的业务方法。抽象构件类的典型代码如下：

abstract class Component
{
    public abstract void Operation();   
}

具体构件类作为抽象构件类的子类实现了在抽象构件类中声明的业务方法，通常在具体构件类中只提供基本功能的实现，一些复杂的功能需通过装饰类来进行扩展。其典型代码如下：

class ConcreteComponent : Component
{
    public override void Operation()
    {
        // 基本功能的实现
    }
}

装饰模式的核心在于抽象装饰类的设计，其典型代码如下：

class Decorator : Component
{
    // 维持一个对抽象构建对象的引用
    private Component component; 

    // 注入一个抽象构件类型的对象
    public Decorator(Component component)
    {
        this.component = component;
    }

    public override void Operation()
    {
        // 调用原有业务方法
        component.Operation();
    }
}

在抽象装饰类Decorator中定义了一个Component类型的对象component，维持一个对抽象构件对象的引用，并可以通过构造方法或Setter方法将一个Component类型的对象注入进来，同时由于Decorator类实现了抽象构件Component接口，因此需要实现在其中声明的业务方法Operation()。值得注意的是，在Decorator中并未真正实现Operation()方法，而是调用原有component对象的Operation()方法，它没有真正实施装饰，而是提供一个统一的接口，将具体装饰过程交给子类完成。

在Decorator的子类（即具体装饰类）中将继承Operation()方法并根据需要进行扩展，典型的具体装饰类代码如下：

class ConcreteDecorator : Decorator
{
    public ConcreteDecorator (Component component) : base(component)
    {

    }

    public override void Operation()
    {
        base.Operation(); // 调用原有业务方法
        AddedBehavior(); // 调用新增业务方法
    }

    // 新增业务方法
    public void AddedBehavior()
    {
        // 功能的扩展
    }
}

在具体装饰类中可以调用抽象装饰类的Operation()方法，同时可以定义新的业务方法，例如AddedBehavior()，如果该方法不希望客户端单独调用，可以将其可见性设为私有（private）。

由于在抽象装饰类Decorator中注入的是Component类型的对象，因此可以将一个具体构件对象注入其中，再通过具体装饰类来进行装饰。此外，还可以将一个已经装饰过的Decorator子类的对象再注入其中进行多次装饰，从而实现对原有功能的多次扩展。

装饰模式的应用实例

下面通过一个应用实例来进一步学习和理解装饰模式。

1.实例说明

某软件公司基于面向对象技术开发了一套图形界面构件库——VisualComponent，该构件库提供了大量的基本构件，如窗体、文本框、列表框等，由于在使用该构件库时，用户经常要求定制一些特殊的显示效果，如带滚动条的窗体、带黑色边框的文本框、既带滚动条又带黑色边框的列表框等，因此经常需要对该构件库进行扩展以增强其功能。

现使用装饰模式来设计该图形界面构件库。

2.实例类图

通过分析，本实例的结构如图3所示。

图3 图形界面构件库结构图

在图3中，VisualComponent充当抽象构件类，其子类Window、TextBox、ListBox充当具体构件类，VisualComponent类的另一个子类ComponentDecorator充当抽象装饰类，ComponentDecorator的子类ScrollBarDecorator和BlackBorderDecorator充当具体装饰类。

3.实例代码

(1)VisualComponent：抽象界面构件类，充当抽象构件类。为了突出与模式相关的核心代码，在本实例中对控件代码进行了大量的简化。

namespace DecoratorSample
{
    abstract class VisualComponent
    {
        public abstract void Display();
    }
}

(2)Window：窗体类，充当具体构件类。

using System;

namespace DecoratorSample
{
    class Window : VisualComponent
    {
        public override void Display()
        {
            Console.WriteLine("显示窗体！");
        }
    }
}

(3)TextBox：文本框类，充当具体构件类。

using System;

namespace DecoratorSample
{
    class TextBox : VisualComponent
    {
        public override void Display()
        {
            Console.WriteLine("显示文本框！");
        }
    }
}

(4)ListBox：列表框类，充当具体构件类。

using System;

namespace DecoratorSample
{
    class ListBox : VisualComponent
    {
        public override void Display()
        {
            Console.WriteLine("显示列表框！");
        }
    }
}

(5)ComponentDecorator：构件装饰类，充当抽象装饰类。

namespace DecoratorSample
{
    class ComponentDecorator : VisualComponent
    {
        private VisualComponent component;  // 维持对抽象构件类型对象的引用

        // 注入抽象构件类型的对象
        public ComponentDecorator(VisualComponent component)
        {
            this.component = component;
        }

        public override void Display()
        {
            component.Display();
        }
    }
}

(6)ScrollBarDecorator：滚动条装饰类，充当具体装饰类。

using System;

namespace DecoratorSample
{
    class ScrollBarDecorator : ComponentDecorator
    {
        public ScrollBarDecorator(VisualComponent component)
            : base(component)
        {
        }

        public override void Display()
        {
            this.SetScrollBar();
            base.Display();
        }

        public void SetScrollBar() 
        {
            Console.WriteLine("为构件增加滚动条！");
        }
    }
}

(7)BlackBorderDecorator：黑色边框装饰类，充当具体装饰类。

using System;

namespace DecoratorSample
{
    class BlackBorderDecorator : ComponentDecorator
    {
        public BlackBorderDecorator(VisualComponent component)
            : base(component)
        {
        }

        public override void Display()
        {
            this.SetBlackBorder();
            base.Display();
        }

        public void SetBlackBorder() 
        {
            Console.WriteLine("为构件增加黑色边框！");
        }
    }
}

(8)Program：客户端测试类。

using System;

namespace DecoratorSample
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            VisualComponent component, componentSB; // 使用抽象构件定义
            component = new Window(); // 定义具体构件
            componentSB = new ScrollBarDecorator(component); // 定义装饰后的构件

            componentSB.Display();
            Console.Read();
        }
    }
}

4.结果及分析

编译并运行程序，输出结果如下：

为构件增加滚动条！  
显示窗体！

在客户端代码中，先创建一个Window类型的具体构件对象component，然后将component作为构造函数的参数注入具体装饰类ScrollBarDecorator中，得到一个装饰之后的对象componentSB，在调用componentSB的Display()方法后将得到一个有滚动条的窗体。如果希望得到一个既有滚动条又有黑色边框的窗体，不需要对原有类库进行任何修改，只需将客户端代码修改如下：

using System;

namespace DecoratorSample
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            VisualComponent component, componentSB, componentBB; // 使用抽象构件定义
            component = new Window(); // 定义具体构件
            componentSB = new ScrollBarDecorator(component); // 定义装饰后的构件
            componentBB = new BlackBorderDecorator(componentSB); // 将装饰了一次之后的对象继续注入到另一个装饰类中，进行第二次装饰
            componentBB.Display();
            Console.Read();
        }
    }
}

再次编译并运行程序，输出结果如下：

为构件增加黑色边框！
为构件增加滚动条！
显示窗体！

在上述客户端代码中，将装饰了一次之后的componentSB对象注入另一个装饰类BlackBorderDecorator中实现第二次装饰，得到一个经过两次装饰的对象componentBB，再调用componentBB的Display()方法即可得到一个既有滚动条又有黑色边框的窗体。

如果需要在原有系统中增加一个新的具体构件类或者新的具体装饰类，无须修改现有类库代码，只需将它们分别作为抽象构件类或者抽象装饰类的子类即可。

透明装饰模式与半透明装饰模式

在装饰模式中，具体装饰类通过新增成员变量或者成员方法来扩展具体构件类的功能。在标准的装饰模式中，新增行为需在原有业务方法中调用，无论是具体构件对象还是装饰过的构件对象，对于客户端而言都是透明的，这种装饰模式被称为透明（Transparent）装饰模式。但是在某些情况下，有些新增行为可能需要单独被调用，此时，客户端不能再一致性地处理装饰之前的对象和装饰之后的对象，这种装饰模式被称为半透明（Semi-transparent）装饰模式。下面将对这两种装饰模式进行较为详细的介绍。

1.透明装饰模式

在透明装饰模式中，要求客户端完全针对抽象编程，装饰模式的透明性要求客户端程序不应该将对象声明为具体构件类型或具体装饰类型，而应该全部声明为抽象构件类型。对于客户端而言，具体构件对象和具体装饰对象没有任何区别。即应该使用以下代码：

Component component_o, component_d; // 使用抽象构件类型定义对象
component_o = new ConcreteComponent();
component_d = new ConcreteDecorator(component_o);
component_d.Operation();

而不应该使用以下代码：

ConcreteComponent component_o; // 使用具体构件类型定义对象
component_o = new ConcreteComponent();

或

ConcreteComponent component_d; // 使用具体构件类型定义对象
component_d = new ConcreteComponent();

对于多次装饰而言，在客户端中存在以下代码片段：

...
Component component_o, component_d1,component_d2; // 全部使用抽象构件定义
component_o = new ConcreteComponent();
component_d1 = new ConcreteDecorator(component_o);
component_d2 = new ConcreteDecorator(component_d1);
component_d2.Operation();
// 无法单独调用component_d2的AddedBehavior()方法
...

使用抽象构件类型Component定义全部具体构件对象和具体装饰对象，客户端可以一致地使用这些对象，因此符合透明装饰模式的要求。

透明装饰模式可以让客户端透明地使用装饰之前的对象和装饰之后的对象，无须关心它们的区别，此外，还可以对一个已装饰过的对象进行多次装饰，得到更为复杂、功能更为强大的对象。在实现透明装饰模式时，要求具体装饰类的Operation()方法覆盖抽象装饰类的Operation()方法，除了调用原有对象的Operation()外还需要调用新增的AddedBehavior()方法来增加新行为。但是由于在抽象构件中并没有声明AddedBehavior()方法，因此，无法在客户端单独调用该方法，在本章上一节图形界面构件库的设计方案中使用的就是透明装饰模式。

2.半透明装饰模式

透明装饰模式的设计难度较大，而且有时需要单独调用新增的业务方法。为了能够调用到新增方法，不得不用具体装饰类型来定义装饰之后的对象，而具体构件可以继续使用抽象构件类型来定义，这种装饰模式即为半透明装饰模式。也就是说，对于客户端而言，对具体构件类型无须关心，是透明的；但是具体装饰类型必须指定，这是不透明的。客户端代码片段如下：

...
Component component_o; // 使用抽象构件类型定义
component_o = new ConcreteComponent();
component_o.Operation();
ConcreteDecorator component_d; // 使用具体装饰类型定义
component_d = new ConcreteDecorator(component_o);
component_d.Operation();
component_d.AddedBehavior(); // 单独调用新增业务方法
...

半透明装饰模式可以给系统带来更多的灵活性，设计相对简单，使用起来也非常方便；但是其最大的缺点在于不能实现对同一个对象的多次装饰，而且客户端需要有区别地对待装饰之前的对象和装饰之后的对象。在实现半透明的装饰模式时，只需在具体装饰类中增加一个独立的AddedBehavior()方法来封装相应的业务处理即可，由于客户端使用具体装饰类型来定义装饰后的对象，因此可以单独调用AddedBehavior()方法。

装饰模式的优缺点与适用环境

装饰模式降低了系统的耦合度，可以动态增加或删除对象的职责，并使得需要装饰的具体构件类和用于装饰的具体装饰类可以独立变化，以便增加新的具体构件类和具体装饰类。使用装饰模式将大大减少子类的个数，让系统扩展起来更加方便，而且更容易维护，是取代继承复用的有效方式之一。在软件开发中，装饰模式得到了较为广泛的应用。

装饰模式的优点

装饰模式的主要优点如下：

• (1)对于扩展一个对象的功能，装饰模式比继承更加灵活，不会导致类的个数急剧增加。
• (2)装饰模式可以通过一种动态的方式来扩展一个对象的功能，通过配置文件可以在运行时选择不同的具体装饰类，从而实现不同的行为。
• (3)装饰模式可以对一个对象进行多次装饰，通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合，可以创造出很多不同行为的组合，得到功能更为强大的对象。
• (4)在装饰模式中，具体构件类与具体装饰类可以独立变化，用户可以根据需要增加新的具体构件类和具体装饰类，且原有类库代码无须改变，符合开闭原则。

装饰模式的缺点

装饰模式的主要缺点如下:

• (1)使用装饰模式进行系统设计时将产生很多小对象，这些对象的区别在于它们之间相互连接的方式有所不同，而不是它们的类或者属性值有所不同，大量小对象的产生势必会占用更多的系统资源，在一定程度上影响程序的性能。
• (2)装饰模式提供了一种比继承更加灵活机动的解决方案，但同时也意味着比继承更加易于出错，排错也更困难，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。

装饰模式的适用环境

在以下情况下可以考虑使用装饰模式：

• (1)在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责。
• (2)当不能采用继承的方式对系统进行扩展或者采用继承不利于系统扩展和维护时可以使用装饰模式。不能采用继承的情况主要有两种：第一种是系统中存在大量独立的扩展，为支持每一种扩展或者扩展之间的组合将产生大量的子类，使得子类数目呈爆炸性增长；第二种是因为类已定义为不能被继承（例如C#语言中的密封类，即使用sealed关键字修饰的类）。

本章小结

(1)装饰模式用于动态地给一个对象增加一些额外的职责。就扩展功能而言，装饰模式提供了一种比使用子类更加灵活的替代方案，它是一种对象结构型模式。

(2)装饰模式包含抽象构件、具体构件、抽象装饰类和具体装饰类4个角色。其中，抽象构件是具体构件类和抽象装饰类的共同父类，声明了在具体构件中实现的业务方法；具体构件实现了在抽象构件中声明的方法，装饰类可以给它增加额外的职责（方法）；抽象装饰类用于给具体构件增加职责，但是具体职责在其子类中实现；具体装饰类负责向构件添加新的职责。

(3)装饰模式的主要优点是在扩展功能时比继承更加灵活，不会导致类的个数急剧增加；它通过一种动态的方式来扩展一个对象的功能，可以对一个对象进行多次装饰，还通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合，创造出很多不同行为的组合，得到功能更为强大的对象；具体构件类与具体装饰类可以独立变化，用户可以根据需要增加新的具体构件类和具体装饰类，且原有类库代码无须改变，符合开闭原则。其主要缺点是使用装饰模式进行系统设计时将产生很多小对象；此外，装饰模式比继承更加易于出错，排错也更困难，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。

(4)装饰模式适用的环境：在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责；当不能采用继承的方式对系统进行扩展或者采用继承不利于系统扩展和维护时也可以使用装饰模式。

(5)装饰模式可分为透明装饰模式和半透明装饰模式：在透明装饰模式中，要求客户端完全针对抽象编程，装饰模式的透明性要求客户端程序不应该将对象声明为具体构件类型或具体装饰类型，而应该全部声明为抽象构件类型；半透明装饰模式允许用户在客户端声明具体装饰类型的对象，从而可以单独调用在具体装饰类中新增的方法。