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【转】JAVA IO 设计模式彻底分析

发表于: 2012-11-11   作者:58liyl   来源:转载   浏览:
摘要:   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

 

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[i]);

  }

  } 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。


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

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