結構型模式之適配器模式、橋接模式與裝飾器模式（一）

一、基本介紹

　　結構型模式（Structural Pattern）關注如何將現有類或對象組織在一起形成更加強大的結構。分爲兩種：1，類結構型模式：關心類的組合，由多個類可以組合成一個更大的系統，在類結構型模式中一般只存在繼承關係和實現關係；2，對象結構型模式：關心類與對象的組合，通過關聯關係使得在一個類中定義另一個類的實例對象，然後通過該對象調用其方法，更符合“合成複用原則”。

　　具體的結構型模式可分爲：

• 適配器模式（Adapter Pattern）
• 橋接模式（Bridge）
• 裝飾者模式（Decorator）
• 組合模式（Composite Pattern）
• 外觀模式（Facade）
• 享元模式（Flyweight Pattern）
• 代理模式（Proxy）

二、適配器模式

1，基本介紹

　　適配器模式（Adapter Pattern）將某個類的接口轉換成客戶端期望的另一個接口表示，主要的目的是兼容性，讓原本接口不匹配不能一起工作的兩個類可以協同工作。其別名爲包裝器（Wrapper）。

　　適配器模式屬於結構型模式，主要分爲三類：類適配器模式、對象適配器模式、接口適配器模式。

2，工作原理

• 適配器模式：將一個類的接口轉換成另一個種接口，讓原本接口不兼容的類可以兼容
•  從用戶的角度看不到被適配者，是解耦的
• 用戶調用適配器轉化出來的目標接口方法，適配器再調用被適配者的相關接口方法
• 用戶接收到反饋結果，感覺只是和目標接口交互

3，類適配器模式

a）類適配器模式介紹

　　Adapter類，通過繼承src類，實現dst類接口，完成src -> dst的適配。

b）類適配器應用實例

　需求

　　以生活中充電器爲例，充電器本身相當於Adapter，220V交流電相當於src（即被適配者），我們的目標dst（即目標）是5V直流電

　思路分析（類圖）

　　　　

　代碼實現

public class Voltage220V {
    public int output220v() {
        int src = 220;
        System.out.println("原始電壓=" + src + "伏");
        return src;
    }
}

public interface IVoltage5V {
    public int output5v();
}

public class VoltageAdapter extends Voltage220V implements IVoltage5V {
    @Override
    public int output5v() {
        int v220 = output220v();
        return v220 / 44;
    }
}

public class Phone {
    public void chrging(IVoltage5V iVoltage5V) {
        if (iVoltage5V.output5v() == 5) {
            System.out.println("電壓5V，可以充電");
        } else {
            System.out.println("電壓" + iVoltage5V.output5v() + "V,無法充電");
        }
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("==========類適配器模式=========");
        Phone phone = new Phone();
        phone.chrging(new VoltageAdapter());
    }
}

c）注意事項與細節

• 缺點：Java是單繼承機制，所以類適配器需要繼承src，故而dst必須是接口，有一定侷限性
• src類的方法在Adapter中都會暴露出來，也增加了使用的成本
• 優點：由於其繼承了src類，所以它可以根據需求重寫src類的方法，使得Adapter的靈活性增強了

4，對象適配器模式

a）對象適配器模式介紹

　　基本思路和類的適配器模式相同，只是將Adapter類做修改，不再繼承src類，而是持有src類的實例（聚合），以解決兼容性的問題。即：持有src類，實現dst類接口，完成src -> dst的適配。

　　即根據“合成複用原則”，在系統中儘量使用關聯關係（聚合）來替代繼承關係。對象適配器模式是適配器模式中常用的一種

b）對象適配器應用實例

　需求

　　同類適配器

　思路分析（類圖）

　　

　代碼實現

　　除了VoltageAdapter類之外，其他的類與類適配器相同

public class VoltageAdapter implements IVoltage5V {

    private Voltage220V voltage220V;

    public VoltageAdapter(Voltage220V voltage220V) {
        this.voltage220V = voltage220V;
    }

    @Override
    public int output5v() {
        int v220 = voltage220V.output220v();
        return v220 / 44;
    }
}

c）注意事項與細節

• 對象適配器和類適配器其實算是同一種思想，只不過實現方式不同。對象適配器根據合成複用原則，使用聚合替代繼承，所以它解決了類適配器必須繼承src的侷限性問題，也不在要求dst必須時接口。
• 使用成本更低，更靈活

5，接口適配器模式

a）接口適配器模式介紹

• 當不需要全部實現接口提供的方法時，可先設計一個抽象類實現接口，併爲該接口中每個方法提供一個默認實現（空方法），那麼該抽象類的子類可有選擇地覆蓋父類的某些方法來實現需求。
• 適用於一個接口不想使用其他所有的方法的情況

b）接口適配器模式實例

　類圖

　　

　代碼實現

public interface InterfaceAdapter {
    public void m1();
    public void m2();
    public void m3();
    public void m4();
}

public abstract class AbsAdapter implements InterfaceAdapter {
    @Override
    public void m1() {}

    @Override
    public void m2() {}

    @Override
    public void m3() {}

    @Override
    public void m4() {}
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        AbsAdapter absAdapter = new AbsAdapter() {
            @Override
            public void m1() {
                System.out.println("test absAdapter m1()");
            }
        };
        absAdapter.m1();
    }
}

6，適配器模式的注意事項和細節

• 三種命名方式，是根據src是以怎樣的形式給到Adapter(在Adapter裏的形式)來命名的。
• 類適配器：以類給到Adapter裏，也就是將src當做類，繼承
• 對象適配器：以對象給到Adapter裏，也就是將src作爲一個對象，持有
• 接口適配器：以接口給到Adapter裏，也就是將src作爲一個接口，實現
• Adapter模式最大的作用還是將原本不兼容的接口融合在一起工作

三、橋接模式

1，手機操作問題

　　現在對不同手機類型的不同品牌實現操作編程（比如：開機、關機、上網、打電話等），如圖

　　

　傳統方式解決手機操作問題

　類圖

　　

　分析

• 擴展性問題（類爆炸），如果我們再增加手機的樣式（旋轉式），就需要增加各個品牌手機的類，同樣如果我們增加一個手機品牌，也要在各個手機樣式類下增加。
• 違反了單一職責原則，當我們增加手機樣式時，要同時增加所有品牌的手機，這樣增加了代碼維護成本
• 解決方案：橋接模式

2，橋接模式

a）基本介紹

　　橋接模式（Bridge模式）是指：將實現與抽象放在兩個不同的類層次中，使兩個層次可以獨立改變。它是一種結構型設計模式。

　　Bridge模式基於類的最小設計原則，通過使用封裝、聚合及繼承等行爲讓不同的類承擔不同的職責。它的主要特點是把抽象（Abstraction）與行爲實現（Implementation）分離開來，從而可以保持各部分的獨立性以及應對他們的功能擴展。

b）原理類圖

　　

　原理類圖說明：

• Client類：橋接模式的調用者
• 抽象類（Abstraction）：維護了Implementor/即它的實現類ConcreteImplementorA/B，二者是聚合關係，Abstraction充當橋接
• RefinedAbstraction：是Abstraction抽象類的子類
• Implementor：行爲實現類的接口
• ConcreteImplementorA/B：行爲的具體實現類
• 從UML圖：這裏的抽象類和接口是聚合的關係，其實也是調用和被調用關係

c）解決手機操作問題

　類圖

　　

　代碼

public interface Brand {
    void open();

    void call();

    void close();

}

public class Xiaomi implements Brand{
    @Override
    public void open() {
        System.out.println("小米手機開機");
    }

    @Override
    public void call() {
        System.out.println("小米手機打電話");
    }

    @Override
    public void close() {
        System.out.println("小米手機關機");
    }
}

public abstract class Phone {
    private Brand brand;

    public Phone(Brand brand) {
        this.brand = brand;
    }

    protected void open() {
        this.brand.open();
    }

    protected void call() {
        this.brand.call();
    }

    protected void close() {
        this.brand.close();
    }

}

public class FoldedPhone extends Phone{

    public FoldedPhone(Brand brand) {
        super(brand);
    }

    @Override
    public void open() {
        super.open();
        System.out.println("摺疊樣式手機");
    }

    @Override
    protected void call() {
        super.call();
        System.out.println("摺疊樣式手機");
    }

    @Override
    protected void close() {
        super.close();
        System.out.println("摺疊樣式手機");
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        FoldedPhone foldedPhone = new FoldedPhone(new Xiaomi());
        foldedPhone.open();
    }
}

3，注意事項

• 實現了抽象和實現部分的分離，從而極大的提高了系統的靈活性，讓抽象部分和實現部分獨立開來，這有助於系統進行分層設計，從而產生更好的結構化系統
• 對於系統的高層部分，只需要知道抽象部分和實現部分的接口就可以了，其它部分由具體業務來完成
• 橋接模式替代多層繼承方案，可以減少子類的個數，降低系統的管理和維護成本
• 橋接模式的引入增加了系統的理解和設計難度，由於聚合關聯關係建立在抽象層，要求開發者對抽象進行設計和編程
• 橋接模式要求正確識別出系統中兩個獨立變化的維度（抽象和實現），因此其使用範圍有一定的侷限性 

4，常用的場景

• JDBC驅動

• 銀行轉賬系統

  • 轉賬分類: 網上轉賬，櫃檯轉賬，AMT 轉賬
  • 轉賬用戶類型：普通用戶，銀卡用戶，金卡用戶...
• 消息管理
  • 消息類型：即時消息，延時消息
  • 消息分類：手機短信，郵件消息，QQ 消息...

四、裝飾者模式

1，咖啡訂單問題

• 咖啡種類/單品咖啡：Espresso(意大利濃咖啡)、ShortBlack、LongBlack(美式咖啡)、Decaf(無因咖啡)
• 調料：Milk、Soy(豆漿)、Chocolate
• 要求在擴展性的咖啡種類時，具有良好的擴展性、改動方便、維護方便
• 使用OO的方式來計算不同種類咖啡的費用：單品咖啡、單品+調料組合等

2，解決方案

a）方案一

　類圖分析：

　　1）Drink 是一個抽象類，表示飲料

　　　-description 就是對咖啡的描述, 比如咖啡的名字

　　　-cost()方法就是計算費用，Drink 類中做成一個抽象方法.

　　2）Decaf 就是單品咖啡，繼承 Drink, 並實現了 cost()

　　3）Espress && Milk 就是單品咖啡+調料， 這個組合很多

　問題：

　　這樣設計會有很多類，當我們增加一個單品咖啡，或者一個新的調料時，類的數量就會倍增，就會出現類爆炸。

b）方案二

 

　說明: milk,soy,chocolate 可以設計爲 Boolean,表示是否要添加相應的調料.

　方案二問題分析：

　　1） 方案 2 可以控制類的數量，不至於造成很多的類

　　2） 在增加或者刪除調料種類時，代碼的維護量很大

　　3） 考慮到用戶可以添加多份調料，可以將 hasMilk 返回一個對應 int

　　4） 改進：考慮使用 裝飾者 模式

3，裝飾者模式

a）基本介紹

　　裝飾者模式（Decorator）：動態地將新功能附加到對象上。在對象功能擴展方面，它比繼承更有彈性，裝飾者模式也體現了開閉原則（OCP）。

b）原理

•  裝飾者模式就像打包一個快遞
  • 主體：陶瓷、衣服（Component） //被裝飾者
  • 包裝：報紙填充、紙板、木板（Decorator）//裝飾者
• Component：主體，類似前面的Drink
• ConcreteComponent：具體的主體，比如前面的各種咖啡
• Decorator：裝飾者，比如各種調料。裝飾者裏聚合了一個Component，也就是ConcreteComponent是可以放到裝飾者裏面的（裝飾者裏面可以包含被裝飾者）
• ConcreteDecorator：具體的裝飾者，比如前面的各種調料

c）完成咖啡訂單問題

　uml類圖

 　代碼

//飲料父類
public abstract class Drink {
    private String description;

    private float price = 0.0f;

    public String getDescription() {
        return description;
    }

    public void setDescription(String description) {
        this.description = description;
    }

    public float getPrice() {
        return price;
    }

    public void setPrice(float price) {
        this.price = price;
    }

    //消費由子類具體實現
    public abstract float cost();
}

//咖啡
public class Coffee extends Drink{
    @Override
    public float cost() {
        return super.getPrice();
    }

    @Override
    public String getDescription() {
        return super.getDescription() + ":" + cost();
    }
}
//美式咖啡
public class LongBlack extends Coffee{
    public LongBlack() {
        setDescription("美式...黑咖啡");
        setPrice(2.0f);
    }
}
//裝飾類，調料
public class Decorator extends Drink{
    Drink drink;

    public Decorator(Drink drink) {
        this.drink = drink;
    }

    @Override
    public float cost() {
        return drink.cost() + super.getPrice();
    }

    @Override
    public String getDescription() {
        return super.getDescription() + " " + super.getPrice() + " " + drink.getDescription();
    }
}
//具體的裝飾調料，牛奶
public class Milk extends Decorator{
    public Milk(Drink drink) {
        super(drink);
        setPrice(1.5f);
        setDescription("牛奶");
    }
}

//測試
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Drink order = new LongBlack();
        System.out.println("單品："+order.getDescription()+" 價格:"+order.cost());
        //加一份巧克力
        order = new Chocolate(order);
        System.out.println("加一份巧克力："+order.getDescription()+" 價格:"+order.cost());
        order = new Milk(order);
        System.out.println("加一份巧克力和一份牛奶："+order.getDescription()+" 價格:"+order.cost());
    }
}

4，JDK中的應用實例

　　Java的IO結構，FilterInputStream就是一個裝飾者

public abstract class InputStream implements Closeable {
  ......  //Component  
}

//Decorator抽象的裝飾者
class FilterInputStream extends InputStream {
    //被裝飾的對象
    protected volatile InputStream in;
    ......  
}

//具體的裝飾者
public class DataInputStream extends FilterInputStream implements DataInput {
    ......      
}

• InputStream時抽象類，類似前面的Drink（被裝飾者）
• FileInputStream是InputStream子類，類似前面的LongBlack、ShortBlack等單品咖啡
• FIlterInputStream是InputStream子類，類似前面的Decorator裝飾者
• DataInputStream是FilterInputStream子類，具體的裝飾者，類似前面的Milk、Chocolate等