java io設計模式分析

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適配器模式的理解，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）　　無論是哪種程式設計語言，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，可以分成輸入資料流和輸出資料流，一個程式從輸入資料流讀取資料向輸出資料流寫資料。　　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類型的資料，並輸出某種類型的資料。上面這種叫做流的管道圖。　　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類型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流對象的輸出當作輸入，將Byte類型的資料轉換成Java的原始類型和String類型的資料。如所示：　　類似地，向一個檔案寫入Byte類型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類型則是原始類型。因此在寫的時候必須經過轉換。DataOutputStream流處理器提供了接收了未經處理資料類型和String資料類型，而這個流處理器的輸出資料則是Byte類型。也就是說DataOutputStream可以將來源資料轉換成Byte類型的資料，再輸出來。　　這樣一來，就可以將DataOutputStream與FileOutputStream連結起來，這樣程式就可以將未經處理資料類型和String類型的來源資料寫入這個連結好的雙重管道裡面，達到將結構化資料寫到磁碟檔案裡面的目的，如所示：　　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　數組，String，File等，這一種叫原始流源。　　第二　同樣類型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。用戶端的Java程式不必知道最終的流源，流匯是磁碟上的檔案還是數組等；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）跟適配器模式（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，如所示：　　２　適配器模式：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類型的流源的適配。這就是適配器模式的應用，如所示。　　適配器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為程式員提供了大量的類庫，而為了保持類庫的可重用性，可擴充性和靈活性，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，實現一個新的輸出資料流類。　　Decorator模式簡介　　Decorator模式又名封裝器（Wrapper），它的主要用途在於給一個對象動態添加一些額外的職責。與產生子類相比，它更具有靈活性。　　有時候，我們需要為一個對象而不是整個類添加一些新的功能，比如，給一個文本區添加一個捲軸的功能。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，我們無法控制文本區加捲軸的方式和時機。而且當文本區需要添加更多的功能時，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，就是把文本區嵌入到捲軸中。而這個捲軸的類就相當於對文本區的一個裝飾。這個裝飾（捲軸）必須與被裝飾的組件（文本區）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寄給相應的組件（即調用相關的方法），並可能在轉寄的前後做一些額外的動作（如添加捲軸）。通過這種方法，我們可以根據組合對文本區嵌套不同的裝飾，從而添加任意多的功能。這種動態對對象添加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，它通過給對象添加裝飾來動態添加新的功能。如下是Decorator模式的UML圖：　　Component為組件和裝飾的公用父類，它定義了子類必須實現的方法。　　ConcreteComponent是一個具體的組件類，可以通過給它添加裝飾來增加新的功能。　　Decorator是所有裝飾的公用父類，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寄給Component，並可能在轉寄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資料流的封裝。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流的代碼：　　以下是程式碼片段：　　try {　　OutputStream out = new DataOutputStream（new FileOutputStream（"test.txt"））；　　} catch （FileNotFoundException e） {　　e.printStackTrace（）；　　}　　這段代碼對於使用過JAVA輸入輸出資料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.將代碼改成如下，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有公用的父類OutputStream，因此對對象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是一個抽象類別，它是所有輸出資料流的公用父類，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資料流的對象，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，代碼如下：　　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，並且它將儲存對此對象的引用。而如果沒有具體的OutputStream對象存在，我們將無法建立FilterOutputStream.由於out既可以是指向FilterOutputStream類型的引用，也可以是指向ByteArrayOutputStream等具體輸出資料流類的引用，因此使用多層嵌套的方式，我們可以為ByteArrayOutputStream添加多種裝飾。這個FilterOutputStream類相當於Decorator模式中的Decorator類，它的write（int
b）方法只是簡單的調用了傳入的流的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，並對傳入的輸出資料流做了不同的裝飾。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；　　}　　……　　}　　這個類提供了一個緩衝機制，等到緩衝的容量達到一定的位元組數時才寫入輸出資料流。首先它繼承了FilterOutputStream，並且覆蓋了父類的write（int b）方法，在調用輸出資料流寫出資料前都會檢查緩衝是否已滿，如果未滿，則不寫。這樣就實現了對輸出資料流對象動態添加新功能的目的。　　下面，將使用Decorator模式，為IO寫一個新的輸出資料流。　　自己寫一個新的輸出資料流　　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資料流，來添加新的功能。這部分中將給出一個新的輸出資料流的例子，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類的代碼：　　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）；