C++设计模式--Decorator 装饰模式

“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
• Decorator
• Bridge

1. Decorator 装饰模式

动机（Motivation）
在某些情况下我们可能会“过度地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）会导致更多子类的膨胀。
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？

代码示例
流操作，有内存流，网络流，文件流；也有各种各样的操作：读，写，定位，加密

//业务操作
class Stream{ //基类
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{ // 文件流
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{ // 网络流
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{ // 内存流
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，加密文件流，读，写，定位操作前后进行加密操作
class CryptoFileStream :public FileStream{ // 继承文件流
public:
    virtual char Read(int number){
       
        //额外的加密操作...
        FileStream::Read(number);//读文件流
        
    }
    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...
    }
};
//扩展操作，加密文件流和内存流，和加密网络流相比，除了读写定位操作不同，加密操作是一样的，代码冗余
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，缓冲操作
class BufferedFileStream : public FileStream{
    //...
};

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

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

// 扩展，既加密又缓冲
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();

}

上面代码中类的关系如下

这种关系，使类的规模非常大

使用组合替代继承，思路如下：

//使用继承
class CryptoFileStream :public FileStream{ // 继承
	//文件流的读，写，定位以及加密操作
}
class CryptoNetworkStream :public NetworkStream{ // 继承
	//文件流的读，写，定位以及加密操作
}
class CryptoMemoryStream :public MemoryStream{ // 继承
	//文件流的读，写，定位以及加密操作
}

转换为组合，如下

//使用组合
class CryptoFileStream { 
	FileStream* stream;
	//文件流的读，写，定位以及加密操作
	virtual char Read(int number){  
        //额外的加密操作...
        stream->Read(number);//读文件流，使用指针
        
    }
}
class CryptoNetworkStream{
	NetworkStream* stream;
	//文件流的读，写，定位以及加密操作
}
class CryptoMemoryStream { 
	MemoryStream* stream;
	//文件流的读，写，定位以及加密操作
}

当一个变量的类型都是某个类型的子类时，就应该声明为这个类型。进一步改进，使用基类指针

//使用组合
class CryptoFileStream { 
	Stream* stream; // = new FileStream();
	//文件流的读，写，定位以及加密操作
}
class CryptoNetworkStream{
	Stream* stream;
	//文件流的读，写，定位以及加密操作
}
class CryptoMemoryStream { 
	Stream* stream;
	//文件流的读，写，定位以及加密操作
}

这样，这三个类的这些代码在编译时是一样的，而通过多态，它们在运行时是不一样的。所以这三个类就可以合并为一个类。

//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:
    // 读，写，定位等操作，代码省略
};

class MemoryStream :public Stream{
public:
    // 读，写，定位等操作，代码省略
};

//扩展操作，加密操作，对所有流都可以进行加密
class CryptoStream: public Stream { //这里继承Stream，为了完善Read，Seek，Write等虚函数的接口规范
    Stream* stream;//组合

public:
    CryptoStream(Stream* stm):stream(stm){ //构造函数，传入的参数类型为基类类型
    }
    
    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{  
    Stream* stream;//...
    
public:
    BufferedStream(Stream* stm):stream(stm){       
    }
    //...
};

void Process(){

    //运行时装配
    FileStream* s1=new FileStream(); //创建文件流对象
    CryptoStream* s2=new CryptoStream(s1);   // 加密文件流 
    BufferedStream* s3=new BufferedStream(s1);   //缓冲文件流
    BufferedStream* s4=new BufferedStream(s2);  //既加密有缓冲
    
}

到这里问题已经解决的差不多了。但是，如果某一个类有多个子类，这些子类中相同字段，就应该吧这些字段往上提。上面CryptoStream、BufferedStream中都有“Stream* stream;”这一字段，有两种做法，第一种是提到基类Stream中，但是FileStream等子类不需要这些字段；这是应该设计一个中间类DecoratorStream，代码变为：

//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:
    // 读，写，定位网络流
};

class MemoryStream :public Stream{
public:
    // 读，写，定位内存流   
};

//扩展操作
// 中间类，把相同字段“Stream* stream;”放在这里
DecoratorStream: public Stream{
protected:
    Stream* stream;//...
  
    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{
    
    Stream* stream;//...
    
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);    
}

类之间的关系变为：

可以发现，类的规模变小了

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

Component对应Stream；ConcreteComponent对应FileStream, NetworkStream,MemoryStream；Decorator对应DecoratorStream；ConcreteDecoratorA对应CryptoStream。

要点总结
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”。
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。
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。

如果发现一个类既组合又继承某个类，则应该重点关注，判断是否为Decorator模式。

针对的问题
动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，Decorator模式相比生成子类更为灵活。不改变接口的前提下，增强所考虑的类的性能。

何时使用：
1 需要扩展一个类的功能，或给一个类增加附加责任。
2 需要动态的给一个对象增加功能，这些功能可以再动态地撤销。
3 需要增加一些基本功能的排列组合而产生的非常大量的功能，从而使继承变得 不现实。