Filter模式

霍师傅
Java教程
2024-12-01
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Java的IO标准库提供的InputStream根据来源可以包括：

FileInputStream：从文件读取数据，是最终数据源；
ServletInputStream：从HTTP请求读取数据，是最终数据源；
Socket.getInputStream()：从TCP连接读取数据，是最终数据源；
...

如果我们要给FileInputStream添加缓冲功能，则可以从FileInputStream派生一个类：

BufferedFileInputStream extends FileInputStream {}

如果要给FileInputStream添加计算签名的功能，类似的，也可以从FileInputStream派生一个类：

DigestFileInputStream extends FileInputStream {}

如果要给FileInputStream添加加密/解密功能，还是可以从FileInputStream派生一个类：

CipherFileInputStream extends FileInputStream {}

如果要给FileInputStream添加缓冲和签名的功能，那么我们还需要派生BufferedDigestFileInputStream。如果要给FileInputStream添加缓冲和加解密的功能，则需要派生BufferedCipherFileInputStream。

我们发现，给FileInputStream添加3种功能，至少需要3个子类。这3种功能的组合，又需要更多的子类：

                          ┌─────────────────┐
                          │ FileInputStream │
                          └─────────────────┘
                                   ▲
             ┌───────────┬─────────┼─────────┬───────────┐
             │           │         │         │           │
┌───────────────────────┐│┌─────────────────┐│┌─────────────────────┐
│BufferedFileInputStream│││DigestInputStream│││CipherFileInputStream│
└───────────────────────┘│└─────────────────┘│└─────────────────────┘
                         │                   │
    ┌─────────────────────────────┐ ┌─────────────────────────────┐
    │BufferedDigestFileInputStream│ │BufferedCipherFileInputStream│
    └─────────────────────────────┘ └─────────────────────────────┘

这还只是针对FileInputStream设计，如果针对另一种InputStream设计，很快会出现子类爆炸的情况。

因此，直接使用继承，为各种InputStream附加更多的功能，根本无法控制代码的复杂度，很快就会失控。

为了解决依赖继承会导致子类数量失控的问题，JDK首先将InputStream分为两大类：

一类是直接提供数据的基础InputStream，例如：

FileInputStream
ByteArrayInputStream
ServletInputStream
...

一类是提供额外附加功能的InputStream，例如：

BufferedInputStream
DigestInputStream
CipherInputStream
...

当我们需要给一个“基础”InputStream附加各种功能时，我们先确定这个能提供数据源的InputStream，因为我们需要的数据总得来自某个地方，例如，FileInputStream，数据来源自文件：

InputStream file = new FileInputStream("test.gz");

紧接着，我们希望FileInputStream能提供缓冲的功能来提高读取的效率，因此我们用BufferedInputStream包装这个InputStream，得到的包装类型是BufferedInputStream，但它仍然被视为一个InputStream：

InputStream buffered = new BufferedInputStream(file);

最后，假设该文件已经用gzip压缩了，我们希望直接读取解压缩的内容，就可以再包装一个GZIPInputStream：

InputStream gzip = new GZIPInputStream(buffered);

无论我们包装多少次，得到的对象始终是InputStream，我们直接用InputStream来引用它，就可以正常读取：

┌─────────────────────────┐
│GZIPInputStream          │
│┌───────────────────────┐│
││BufferedFileInputStream││
││┌─────────────────────┐││
│││   FileInputStream   │││
││└─────────────────────┘││
│└───────────────────────┘│
└─────────────────────────┘

上述这种通过一个“基础”组件再叠加各种“附加”功能组件的模式，称之为Filter模式（或者装饰器模式：Decorator）。它可以让我们通过少量的类来实现各种功能的组合：

                 ┌─────────────┐
                 │ InputStream │
                 └─────────────┘
                       ▲ ▲
┌────────────────────┐ │ │ ┌─────────────────┐
│  FileInputStream   │─┤ └─│FilterInputStream│
└────────────────────┘ │   └─────────────────┘
┌────────────────────┐ │     ▲ ┌───────────────────┐
│ByteArrayInputStream│─┤     ├─│BufferedInputStream│
└────────────────────┘ │     │ └───────────────────┘
┌────────────────────┐ │     │ ┌───────────────────┐
│ ServletInputStream │─┘     ├─│  DataInputStream  │
└────────────────────┘       │ └───────────────────┘
                             │ ┌───────────────────┐
                             └─│CheckedInputStream │
                               └───────────────────┘

类似的，OutputStream也是以这种模式来提供各种功能：

                  ┌─────────────┐
                  │OutputStream │
                  └─────────────┘
                        ▲ ▲
┌─────────────────────┐ │ │ ┌──────────────────┐
│  FileOutputStream   │─┤ └─│FilterOutputStream│
└─────────────────────┘ │   └──────────────────┘
┌─────────────────────┐ │     ▲ ┌────────────────────┐
│ByteArrayOutputStream│─┤     ├─│BufferedOutputStream│
└─────────────────────┘ │     │ └────────────────────┘
┌─────────────────────┐ │     │ ┌────────────────────┐
│ ServletOutputStream │─┘     ├─│  DataOutputStream  │
└─────────────────────┘       │ └────────────────────┘
                              │ ┌────────────────────┐
                              └─│CheckedOutputStream │
                                └────────────────────┘

编写FilterInputStream

我们也可以自己编写FilterInputStream，以便可以把自己的FilterInputStream“叠加”到任何一个InputStream中。

下面的例子演示了如何编写一个CountInputStream，它的作用是对输入的字节进行计数：

import java.io.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        byte[] data = "hello, world!".getBytes("UTF-8");
        try (CountInputStream input = new CountInputStream(new ByteArrayInputStream(data))) {
            int n;
            while ((n = input.read()) != -1) {
                System.out.println((char)n);
            }
            System.out.println("Total read " + input.getBytesRead() + " bytes");
        }
    }
}

class CountInputStream extends FilterInputStream {
    private int count = 0;

    CountInputStream(InputStream in) {
        super(in);
    }

    public int getBytesRead() {
        return this.count;
    }

    public int read() throws IOException {
        int n = in.read();
        if (n != -1) {
            this.count ++;
        }
        return n;
    }

    public int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
        int n = in.read(b, off, len);
        if (n != -1) {
            this.count += n;
        }
        return n;
    }
}

注意到在叠加多个FilterInputStream，我们只需要持有最外层的InputStream，并且，当最外层的InputStream关闭时（在try(resource)块的结束处自动关闭），内层的InputStream的close()方法也会被自动调用，并最终调用到最核心的“基础”InputStream，因此不存在资源泄露。

小结

Java的IO标准库使用Filter模式为InputStream和OutputStream增加功能：

可以把一个InputStream和任意个FilterInputStream组合；
可以把一个OutputStream和任意个FilterOutputStream组合。

Filter模式可以在运行期动态增加功能（又称Decorator模式）。