JAVA IO 设计模式彻底分析

我想任何一本介绍模式的书在讲到Decorator模式的时候不能不提到它的实际应用——在Java/IO库里面的应用，<<Java与模式>>这本书也不例外，有点不一样的是，这本书在介绍的时候有个专题，是从两个模式来看Java/IO库，完这个专题后，个人感觉对Java/IO库有了全新的认识同时也加深了Decorator模式跟Adapter适配器模式的理解，现和大家分享下这个在我看来很伟大的成果，同时说明下，以下大部分文字跟图片是来自<<Java与模式>>这本书。

　　一。引子（概括地介绍Java的ＩＯ）
　　无论是哪种编程语言，输入跟输出都是重要的一部分，Java也不例外，而且Java将输入／输出的功能和使用范畴做了很大的扩充。它采用了流的机制来实现输入／输出，所谓流，就是数据的有序排列，而流可以是从某个源（称为流源或Source of Stream）出来，到某个目的地（称为流汇或Sink of Stream）去的。由流的方向，可以分成输入流和输出流，一个程序从输入流读取数据向输出流写数据。

　　如，一个程序可以用FileInputStream类从一个磁盘文件读取数据，如下图所示：
　　像FileInputStream这样的处理器叫做流处理器，它就像流的管道一样，从一个流源吸入某种类型的数据，并输出某种类型的数据。上面这种示意图叫做流的管道图。
　　同样道理，也可以用FileOutputStream类向一个磁盘文件写数据，如下图所示：
　　在实际应用这种机制并不没有太大的用处，程序需要写出地通常是非常结构化的信息，因此这些byte类型的数据实际上是一些数值，文字，源代码等。Java的I/O库提供了一个称做链接（Chaining）的机制，可以将一个流处理器跟另一个流处理器首尾相接，以其中之一的输出为输入，形成一个流管道的链接。
　　例如，DataInputStream流处理器可以把FileInputStream流对象的输出当作输入，将Byte类型的数据转换成Java的原始类型和String类型的数据。如下图所示：
　　类似地，向一个文件写入Byte类型的数据不是一个简单的过程。一个程序需要向一个文件里写入的数据往往都是结构化的，而Byte类型则是原始类型。因此在写的时候必须经过转换。DataOutputStream流处理器提供了接收了原始数据类型和String数据类型，而这个流处理器的输出数据则是Byte类型。也就是说DataOutputStream可以将源数据转换成Byte类型的数据，再输出来。
　　这样一来，就可以将DataOutputStream与FileOutputStream链接起来，这样程序就可以将原始数据类型和String类型的源数据写入这个链接好的双重管道里面，达到将结构化数据写到磁盘文件里面的目的，如下图所示：
　　这又是链接的所发挥的大作用。
　　流处理器所处理的流必定都有流源，而如果将流类所处理的流源分类的话，基本可以分成两大类：

　　第一　数组，String，File等，这一种叫原始流源。
　　第二　同样类型的流用做链接流类的流源，叫链接流源。
　　二　Java I/O库的设计原则
　　Java语言的I/O库是对各种常见的流源，流汇以及处理过程的抽象化。客户端的Java程序不必知道最终的流源，流汇是磁盘上的文件还是数组等；也不必关心数据是否经过缓冲的，可否按照行号读取等处理的细节。
　　书中提到了，对于第一次见到Java/IO库的人，无不因为这个库的庞杂而感到困惑；而对于熟悉这个库的人，而又常常为这个库的设计是否得当而争论不体。书的作者提出自己的意见，要理解Java I/O这个庞大而复杂的库，关键是要掌握两个对称性跟两个设计模式模式。
　　Java I/O库具有两个对称性，它们分别是：
　　１　输入－输出对称性，比如InputStream和OutputStream各自占据Byte流的输入与输出的两个平行的等级结构的根部。而Reader和Writer各自占据Char流的输入与输出的两个平行的等级结构的根部。
　　２　byte-char对称，InputStream和Reader的子类分别负责Byte和Char流的输入；OutputStream和Writer的子类分别负责Byte和Char流的输出，它们分别形成平行的等级结构。
　　Java I/O库的两个设计模式：
　　Java的I/O库总体设计是符合装饰者模式（Decorator）跟适配器模式（Adapter）的。如前所述，这个库中处理流的类叫做流类。引子里所谈到的FileInputStream，FileOutputStream，DataInputStream及DataOutputStream都是流处理器的例子。
　　１　装饰者模式：在由InputStream，OutputStream，Reader和Writer代表的等级结构内部，有一些流处理器可以对另一些流处理器起到装饰作用，形成新的，具有改善了的功能的流处理器。装饰者模式是Java I/O库的整体设计模式。这样的一个原则是符合装饰者模式的，如下图所示：
　　２　适配器模式：在由InputStream，OutputStream，Reader和Writer代表的等级结构内部，有一些流处理器是对其它类型的流源的适配。这就是适配器模式的应用，如下图所示。
　　适配器模式应用到了原始流处理器的设计上面，构成了I/O库所有流处理器的起点。
　　JDK为程序员提供了大量的类库，而为了保持类库的可重用性，可扩展性和灵活性，其中使用到了大量的设计模式，本文将介绍JDK的I/O包中使用到的Decorator模式，并运用此模式，实现一个新的输出流类。
　　Decorator模式简介
　　Decorator模式又名包装器（Wrapper），它的主要用途在于给一个对象动态的添加一些额外的职责。与生成子类相比，它更具有灵活性。
　　有时候，我们需要为一个对象而不是整个类添加一些新的功能，比如，给一个文本区添加一个滚动条的功能。我们可以使用继承机制来实现这一功能，但是这种方法不够灵活，我们无法控制文本区加滚动条的方式和时机。而且当文本区需要添加更多的功能时，比如边框等，需要创建新的类，而当需要组合使用这些功能时无疑将会引起类的爆炸。
　　我们可以使用一种更为灵活的方法，就是把文本区嵌入到滚动条中。而这个滚动条的类就相当于对文本区的一个装饰。这个装饰（滚动条）必须与被装饰的组件（文本区）继承自同一个接口，这样，用户就不必关心装饰的实现，因为这对他们来说是透明的。装饰会将用户的请求转发给相应的组件（即调用相关的方法），并可能在转发的前后做一些额外的动作（如添加滚动条）。通过这种方法，我们可以根据组合对文本区嵌套不同的装饰，从而添加任意多的功能。这种动态的对对象添加功能的方法不会引起类的爆炸，也具有了更多的灵活性。
　　以上的方法就是Decorator模式，它通过给对象添加装饰来动态的添加新的功能。如下是Decorator模式的UML图：
　　Component为组件和装饰的公共父类，它定义了子类必须实现的方法。
　　ConcreteComponent是一个具体的组件类，可以通过给它添加装饰来增加新的功能。
　　Decorator是所有装饰的公共父类，它定义了所有装饰必须实现的方法，同时，它还保存了一个对于Component的引用，以便将用户的请求转发给Component，并可能在转发请求前后执行一些附加的动作。
　　ConcreteDecoratorA和ConcreteDecoratorB是具体的装饰，可以使用它们来装饰具体的Component.
　　JAVA IO包中的Decorator模式
　　JDK提供的java.io包中使用了Decorator模式来实现对各种输入输出流的封装。以下将以java.io.OutputStream及其子类为例，讨论一下Decorator模式在IO中的使用。
　　首先来看一段用来创建IO流的代码：
　　以下是代码片段：
　　try {
　　OutputStream out = new DataOutputStream（new FileOutputStream（"test.txt"））；
　　} catch （FileNotFoundException e） {
　　e.printStackTrace（）；
　　}
　　这段代码对于使用过JAVA输入输出流的人来说再熟悉不过了，我们使用DataOutputStream封装了一个FileOutputStream.这是一个典型的Decorator模式的使用，FileOutputStream相当于Component，DataOutputStream就是一个Decorator.将代码改成如下，将会更容易理解：
　　以下是代码片段：
　　try {
　　OutputStream out = new FileOutputStream（"test.txt"）；
　　out = new DataOutputStream（out）；
　　} catch（FileNotFoundException e） {
　　e.printStatckTrace（）；
　　}
　　由于FileOutputStream和DataOutputStream有公共的父类OutputStream，因此对对象的装饰对于用户来说几乎是透明的。下面就来看看OutputStream及其子类是如何构成Decorator模式的：
　　OutputStream是一个抽象类，它是所有输出流的公共父类，其源代码如下：
　　以下是代码片段：
　　public abstract class OutputStream implements Closeable， Flushable {
　　public abstract void write（int b） throws IOException；
　　……
　　}
　　它定义了write（int b）的抽象方法。这相当于Decorator模式中的Component类。
　　ByteArrayOutputStream，FileOutputStream 和 PipedOutputStream 三个类都直接从OutputStream继承，以ByteArrayOutputStream为例：
　　以下是代码片段：
　　public class ByteArrayOutputStream extends OutputStream {
　　protected byte buf[]；
　　protected int count；
　　public ByteArrayOutputStream（） {
　　this（32）；
　　}
　　public ByteArrayOutputStream（int size） {
　　if （size 〈 0） {
　　throw new IllegalArgumentException（"Negative initial size： "
　　+ size）；
　　}
　　buf = new byte[size]；
　　}
　　public synchronized void write（int b） {
　　int newcount = count + 1；
　　if （newcount 〉 buf.length） {
　　byte newbuf[] = new byte[Math.max（buf.length 〈〈 1， newcount）]；
　　System.arraycopy（buf， 0， newbuf， 0， count）；
　　buf = newbuf；
　　}
　　buf[count] = （byte）b；
　　count = newcount；
　　}
　　……
　　}
　　它实现了OutputStream中的write（int b）方法，因此我们可以用来创建输出流的对象，并完成特定格式的输出。它相当于Decorator模式中的ConcreteComponent类。
　　接着来看一下FilterOutputStream，代码如下：
　　以下是代码片段：
　　public class FilterOutputStream extends OutputStream {
　　protected OutputStream out；
　　public FilterOutputStream（OutputStream out） {
　　this.out = out；
　　}
　　public void write（int b） throws IOException {
　　out.write（b）；
　　}
　　……
　　}
　　同样，它也是从OutputStream继承。但是，它的构造函数很特别，需要传递一个OutputStream的引用给它，并且它将保存对此对象的引用。而如果没有具体的OutputStream对象存在，我们将无法创建FilterOutputStream.由于out既可以是指向FilterOutputStream类型的引用，也可以是指向ByteArrayOutputStream等具体输出流类的引用，因此使用多层嵌套的方式，我们可以为ByteArrayOutputStream添加多种装饰。这个FilterOutputStream类相当于Decorator模式中的Decorator类，它的write（int b）方法只是简单的调用了传入的流的write（int b）方法，而没有做更多的处理，因此它本质上没有对流进行装饰，所以继承它的子类必须覆盖此方法，以达到装饰的目的。
　　BufferedOutputStream 和 DataOutputStream是FilterOutputStream的两个子类，它们相当于Decorator模式中的ConcreteDecorator，并对传入的输出流做了不同的装饰。以BufferedOutputStream类为例：
　　以下是代码片段：
　　public class BufferedOutputStream extends FilterOutputStream {
　　……
　　private void flushBuffer（） throws IOException {
　　if （count 〉 0） {
　　out.write（buf， 0， count）；
　　count = 0；
　　}
　　}
　　public synchronized void write（int b） throws IOException {
　　if （count 〉= buf.length） {
　　flushBuffer（）；
　　}
　　buf[count++] = （byte）b；
　　}
　　……
　　}
　　这个类提供了一个缓存机制，等到缓存的容量达到一定的字节数时才写入输出流。首先它继承了FilterOutputStream，并且覆盖了父类的write（int b）方法，在调用输出流写出数据前都会检查缓存是否已满，如果未满，则不写。这样就实现了对输出流对象动态的添加新功能的目的。
　　下面，将使用Decorator模式，为IO写一个新的输出流。
　　自己写一个新的输出流
　　了解了OutputStream及其子类的结构原理后，我们可以写一个新的输出流，来添加新的功能。这部分中将给出一个新的输出流的例子，它将过滤待输出语句中的空格符号。比如需要输出"java io OutputStream"，则过滤后的输出为"javaioOutputStream".以下为SkipSpaceOutputStream类的代码：
　　以下是代码片段：
　　import java.io.FilterOutputStream；
　　import java.io.IOException；
　　import java.io.OutputStream；
　　/**
　　* A new output stream， which will check the space character
　　* and won‘t write it to the output stream.
　　* @author Magic
　　*
　　*/
　　public class SkipSpaceOutputStream extends FilterOutputStream {
　　public SkipSpaceOutputStream（OutputStream out） {
　　super（out）；
　　}
　　/**
　　* Rewrite the method in the parent class， and
　　* skip the space character.
　　*/
　　public void write（int b） throws IOException{
　　if（b！=‘ ’）{
　　super.write（b）；
　　}
　　}
　　}
　　它从FilterOutputStream继承，并且重写了它的write（int b）方法。在write（int b）方法中首先对输入字符进行了检查，如果不是空格，则输出。
　　以下是一个测试程序：
　　以下是代码片段：
　　import java.io.BufferedInputStream；
　　import java.io.DataInputStream；
　　import java.io.DataOutputStream；
　　import java.io.IOException；
　　import java.io.InputStream；
　　import java.io.OutputStream；
　　/**
　　* Test the SkipSpaceOutputStream.
　　* @author Magic
　　*
　　*/
　　public class Test {
　　public static void main（String[] args）{
　　byte[] buffer = new byte[1024]；
　　/**
　　* Create input stream from the standard input.
　　*/
　　InputStream in = new BufferedInputStream（new DataInputStream（System.in））；
　　/**
　　* write to the standard output.
　　*/
　　OutputStream out = new SkipSpaceOutputStream（new DataOutputStream（System.out））；
　　try {
　　System.out.println（"Please input your words： "）；
　　int n = in.read（buffer，0，buffer.length）；
　　for（int i=0；i〈n；i++）{
　　out.write（buffer）；
　　}
　　} catch （IOException e） {
　　e.printStackTrace（）；
　　}
　　}
　　}
　　执行以上测试程序，将要求用户在console窗口中输入信息，程序将过滤掉信息中的空格，并将最后的结果输出到console窗口。比如：
　　以下是引用片段：
　　Please input your words：
　　a b c d e f
　　abcdef
　　总   结
　　在java.io包中，不仅OutputStream用到了Decorator设计模式，InputStream，Reader，Writer等都用到了此模式。而作为一个灵活的，可扩展的类库，JDK中使用了大量的设计模式，比如在Swing包中的MVC模式，RMI中的Proxy模式等等。对于JDK中模式的研究不仅能加深对于模式的理解，而且还有利于更透彻的了解类库的结构和组成。