【轉】JAVA IO 設計模式徹底分析

 

我想任何一本介紹模式的書在講到Decorator模式的時候不能不提到它的實際應用——在Java/IO庫裡面的應用，<<Java與模式>>這本書也不例外，有點不一樣的是，這本書在介紹的時候有個專題，是從兩個模式來看Java/IO庫，完這個專題後，個人感覺對Java/IO庫有了全新的認識同時也加深了Decorator模式跟Adapter介面卡模式的理解，現和大家分享下這個在我看來很偉大的成果，同時說明下，以下大部分文字跟圖片是來自<<Java與模式>>這本書。

　　一。引子（概括地介紹Java的ＩＯ）

　　無論是哪種程式語言，輸入跟輸出都是重要的一部分，Java也不例外，而且Java將輸入／輸出的功能和使用範疇做了很大的擴充。它採用了流的機制來實現輸入／輸出，所謂流，就是資料的有序排列，而流可以是從某個源（稱為流源或Source of Stream）出來，到某個目的地（稱為流匯或Sink of Stream）去的。由流的方向，可以分成輸入流和輸出流，一個程式從輸入流讀取資料向輸出流寫資料。

　　如，一個程式可以用FileInputStream類從一個磁碟檔案讀取資料，如下圖所示：

　　像FileInputStream這樣的處理器叫做流處理器，它就像流的管道一樣，從一個流源吸入某種型別的資料，並輸出某種型別的資料。上面這種示意圖叫做流的管道圖。

　　同樣道理，也可以用FileOutputStream類向一個磁碟檔案寫資料，如下圖所示：

　　在實際應用這種機制並不沒有太大的用處，程式需要寫出地通常是非常結構化的資訊，因此這些byte型別的資料實際上是一些數值，文字，原始碼等。Java的I/O庫提供了一個稱做連結（Chaining）的機制，可以將一個流處理器跟另一個流處理器首尾相接，以其中之一的輸出為輸入，形成一個流管道的連結。

　　例如，DataInputStream流處理器可以把FileInputStream流物件的輸出當作輸入，將Byte型別的資料轉換成Java的原始型別和String型別的資料。如下圖所示：

　　類似地，向一個檔案寫入Byte型別的資料不是一個簡單的過程。一個程式需要向一個檔案裡寫入的資料往往都是結構化的，而Byte型別則是原始型別。因此在寫的時候必須經過轉換。DataOutputStream流處理器提供了接收了原始資料型別和String資料型別，而這個流處理器的輸出資料則是Byte型別。也就是說DataOutputStream可以將源資料轉換成Byte型別的資料，再輸出來。

　　這樣一來，就可以將DataOutputStream與FileOutputStream連結起來，這樣程式就可以將原始資料型別和String型別的源資料寫入這個連結好的雙重管道里面，達到將結構化資料寫到磁碟檔案裡面的目的，如下圖所示：

　　這又是連結的所發揮的大作用。

　　流處理器所處理的流必定都有流源，而如果將流類所處理的流源分類的話，基本可以分成兩大類：

　　第一　陣列，String，File等，這一種叫原始流源。

　　第二　同樣型別的流用做連結流類的流源，叫連結流源。

　　二　Java I/O庫的設計原則

　　Java語言的I/O庫是對各種常見的流源，流匯以及處理過程的抽象化。客戶端的Java程式不必知道最終的流源，流匯是磁碟上的檔案還是陣列等；也不必關心資料是否經過緩衝的，可否按照行號讀取等處理的細節。

　　書中提到了，對於第一次見到Java/IO庫的人，無不因為這個庫的龐雜而感到困惑；而對於熟悉這個庫的人，而又常常為這個庫的設計是否得當而爭論不體。書的作者提出自己的意見，要理解Java I/O這個龐大而複雜的庫，關鍵是要掌握兩個對稱性跟兩個設計模式模式。

　　Java I/O庫具有兩個對稱性，它們分別是：

　　１　輸入－輸出對稱性，比如InputStream和OutputStream各自佔據Byte流的輸入與輸出的兩個平行的等級結構的根部。而Reader和Writer各自佔據Char流的輸入與輸出的兩個平行的等級結構的根部。

　　２　byte-char對稱，InputStream和Reader的子類分別負責Byte和Char流的輸入；OutputStream和Writer的子類分別負責Byte和Char流的輸出，它們分別形成平行的等級結構。

　　Java I/O庫的兩個設計模式：

　　Java的I/O庫總體設計是符合裝飾者模式（Decorator）跟介面卡模式（Adapter）的。如前所述，這個庫中處理流的類叫做流類。引子裡所談到的FileInputStream，FileOutputStream，DataInputStream及DataOutputStream都是流處理器的例子。

　　１　裝飾者模式：在由InputStream，OutputStream，Reader和Writer代表的等級結構內部，有一些流處理器可以對另一些流處理器起到裝飾作用，形成新的，具有改善了的功能的流處理器。裝飾者模式是Java I/O庫的整體設計模式。這樣的一個原則是符合裝飾者模式的，如下圖所示：

　　２　介面卡模式：在由InputStream，OutputStream，Reader和Writer代表的等級結構內部，有一些流處理器是對其它型別的流源的適配。這就是介面卡模式的應用，如下圖所示。

　　介面卡模式應用到了原始流處理器的設計上面，構成了I/O庫所有流處理器的起點。

　　JDK為程式設計師提供了大量的類庫，而為了保持類庫的可重用性，可擴充套件性和靈活性，其中使用到了大量的設計模式，本文將介紹JDK的I/O包中使用到的Decorator模式，並運用此模式，實現一個新的輸出流類。

　　Decorator模式簡介

　　Decorator模式又名包裝器（Wrapper），它的主要用途在於給一個物件動態的新增一些額外的職責。與生成子類相比，它更具有靈活性。

　　有時候，我們需要為一個物件而不是整個類新增一些新的功能，比如，給一個文字區新增一個滾動條的功能。我們可以使用繼承機制來實現這一功能，但是這種方法不夠靈活，我們無法控制文字區加滾動條的方式和時機。而且當文字區需要新增更多的功能時，比如邊框等，需要建立新的類，而當需要組合使用這些功能時無疑將會引起類的爆炸。

　　我們可以使用一種更為靈活的方法，就是把文字區嵌入到滾動條中。而這個滾動條的類就相當於對文字區的一個裝飾。這個裝飾（滾動條）必須與被裝飾的元件（文字區）繼承自同一個介面，這樣，使用者就不必關心裝飾的實現，因為這對他們來說是透明的。裝飾會將使用者的請求轉發給相應的元件（即呼叫相關的方法），並可能在轉發的前後做一些額外的動作（如新增滾動條）。通過這種方法，我們可以根據組合對文字區巢狀不同的裝飾，從而新增任意多的功能。這種動態的對物件新增功能的方法不會引起類的爆炸，也具有了更多的靈活性。

　　以上的方法就是Decorator模式，它通過給物件新增裝飾來動態的新增新的功能。如下是Decorator模式的UML圖：

　　Component為元件和裝飾的公共父類，它定義了子類必須實現的方法。

　　ConcreteComponent是一個具體的元件類，可以通過給它新增裝飾來增加新的功能。

　　Decorator是所有裝飾的公共父類，它定義了所有裝飾必須實現的方法，同時，它還儲存了一個對於Component的引用，以便將使用者的請求轉發給Component，並可能在轉發請求前後執行一些附加的動作。

　　ConcreteDecoratorA和ConcreteDecoratorB是具體的裝飾，可以使用它們來裝飾具體的Component.

　　JAVA IO包中的Decorator模式

　　JDK提供的java.io包中使用了Decorator模式來實現對各種輸入輸出流的封裝。以下將以java.io.OutputStream及其子類為例，討論一下Decorator模式在IO中的使用。

　　首先來看一段用來建立IO流的程式碼：

　　以下是程式碼片段：

　　try {

　　OutputStream out = new DataOutputStream（new FileOutputStream（"test.txt"））；

　　} catch （FileNotFoundException e） {

　　e.printStackTrace（）；

　　}

　　這段程式碼對於使用過JAVA輸入輸出流的人來說再熟悉不過了，我們使用DataOutputStream封裝了一個FileOutputStream.這是一個典型的Decorator模式的使用，FileOutputStream相當於Component，DataOutputStream就是一個Decorator.將程式碼改成如下，將會更容易理解：

　　以下是程式碼片段：

　　try {

　　OutputStream out = new FileOutputStream（"test.txt"）；

　　out = new DataOutputStream（out）；

　　} catch（FileNotFoundException e） {

　　e.printStatckTrace（）；

　　}

　　由於FileOutputStream和DataOutputStream有公共的父類OutputStream，因此對物件的裝飾對於使用者來說幾乎是透明的。下面就來看看OutputStream及其子類是如何構成Decorator模式的：

　　OutputStream是一個抽象類，它是所有輸出流的公共父類，其原始碼如下：

　　以下是程式碼片段：

　　public abstract class OutputStream implements Closeable， Flushable {

　　public abstract void write（int b） throws IOException；

　　……

　　}

　　它定義了write（int b）的抽象方法。這相當於Decorator模式中的Component類。

　　ByteArrayOutputStream，FileOutputStream 和 PipedOutputStream 三個類都直接從OutputStream繼承，以ByteArrayOutputStream為例：

　　以下是程式碼片段：

　　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；

　　}

　　……

　　}

　　它實現了OutputStream中的write（int b）方法，因此我們可以用來建立輸出流的物件，並完成特定格式的輸出。它相當於Decorator模式中的ConcreteComponent類。

　　接著來看一下FilterOutputStream，程式碼如下：

　　以下是程式碼片段：

　　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）；

　　}

　　……

　　}

　　同樣，它也是從OutputStream繼承。但是，它的建構函式很特別，需要傳遞一個OutputStream的引用給它，並且它將儲存對此物件的引用。而如果沒有具體的OutputStream物件存在，我們將無法建立FilterOutputStream.由於out既可以是指向FilterOutputStream型別的引用，也可以是指向ByteArrayOutputStream等具體輸出流類的引用，因此使用多層巢狀的方式，我們可以為ByteArrayOutputStream新增多種裝飾。這個FilterOutputStream類相當於Decorator模式中的Decorator類，它的write（int b）方法只是簡單的呼叫了傳入的流的write（int b）方法，而沒有做更多的處理，因此它本質上沒有對流進行裝飾，所以繼承它的子類必須覆蓋此方法，以達到裝飾的目的。

　　BufferedOutputStream 和 DataOutputStream是FilterOutputStream的兩個子類，它們相當於Decorator模式中的ConcreteDecorator，並對傳入的輸出流做了不同的裝飾。以BufferedOutputStream類為例：

　　以下是程式碼片段：

　　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；

　　}

　　……

　　}

　　這個類提供了一個快取機制，等到快取的容量達到一定的位元組數時才寫入輸出流。首先它繼承了FilterOutputStream，並且覆蓋了父類的write（int b）方法，在呼叫輸出流寫出資料前都會檢查快取是否已滿，如果未滿，則不寫。這樣就實現了對輸出流物件動態的新增新功能的目的。

　　下面，將使用Decorator模式，為IO寫一個新的輸出流。

　　自己寫一個新的輸出流

　　瞭解了OutputStream及其子類的結構原理後，我們可以寫一個新的輸出流，來新增新的功能。這部分中將給出一個新的輸出流的例子，它將過濾待輸出語句中的空格符號。比如需要輸出"java io OutputStream"，則過濾後的輸出為"javaioOutputStream".以下為SkipSpaceOutputStream類的程式碼：

　　以下是程式碼片段：

　　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）；

　　}

　　}

　　}

　　它從FilterOutputStream繼承，並且重寫了它的write（int b）方法。在write（int b）方法中首先對輸入字元進行了檢查，如果不是空格，則輸出。

　　以下是一個測試程式：

　　以下是程式碼片段：

　　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[i]）；

　　}

　　} catch （IOException e） {

　　e.printStackTrace（）；

　　}

　　}

　　}

　　執行以上測試程式，將要求使用者在console視窗中輸入資訊，程式將過濾掉資訊中的空格，並將最後的結果輸出到console視窗。比如：

　　以下是引用片段：

　　Please input your words：

　　a b c d e f

　　abcdef

　　總   結

　　在java.io包中，不僅OutputStream用到了Decorator設計模式，InputStream，Reader，Writer等都用到了此模式。而作為一個靈活的，可擴充套件的類庫，JDK中使用了大量的設計模式，比如在Swing包中的MVC模式，RMI中的Proxy模式等等。對於JDK中模式的研究不僅能加深對於模式的理解，而且還有利於更透徹的瞭解類庫的結構和組成。

原文地址：http://www.bitscn.com/plus/view.php?aid=132047[/size]