Filter模式

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：

  1. 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：

  1. 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：

  1. 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：

  1.                           ┌─────────────────┐
  2.                           │ FileInputStream │
  3.                           └─────────────────┘
  4.                                    ▲
  5.              ┌───────────┬─────────┼─────────┬───────────┐
  6.              │           │         │         │           │
  7. ┌───────────────────────┐│┌─────────────────┐│┌─────────────────────┐
  8. │BufferedFileInputStream│││DigestInputStream│││CipherFileInputStream│
  9. └───────────────────────┘│└─────────────────┘│└─────────────────────┘
  10.                          │                   │
  11.     ┌─────────────────────────────┐ ┌─────────────────────────────┐
  12.     │BufferedDigestFileInputStream│ │BufferedCipherFileInputStream│
  13.     └─────────────────────────────┘ └─────────────────────────────┘

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：

  1. 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：

  1. 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：

  1. 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：

  1. ┌─────────────────────────┐
  2. │GZIPInputStream          │
  3. │┌───────────────────────┐│
  4. ││BufferedFileInputStream││
  5. ││┌─────────────────────┐││
  6. │││   FileInputStream   │││
  7. ││└─────────────────────┘││
  8. │└───────────────────────┘│
  9. └─────────────────────────┘

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：

  1.                  ┌─────────────┐
  2.                  │ InputStream │
  3.                  └─────────────┘
  4.                        ▲ ▲
  5. ┌────────────────────┐ │ │ ┌─────────────────┐
  6. │  FileInputStream   │─┤ └─│FilterInputStream│
  7. └────────────────────┘ │   └─────────────────┘
  8. ┌────────────────────┐ │     ▲ ┌───────────────────┐
  9. │ByteArrayInputStream│─┤     ├─│BufferedInputStream│
  10. └────────────────────┘ │     │ └───────────────────┘
  11. ┌────────────────────┐ │     │ ┌───────────────────┐
  12. │ ServletInputStream │─┘     ├─│  DataInputStream  │
  13. └────────────────────┘       │ └───────────────────┘
  14.                              │ ┌───────────────────┐
  15.                              └─│CheckedInputStream │
  16.                                └───────────────────┘

类似的，OutputStream也是以这种模式来提供各种功能：

  1.                   ┌─────────────┐
  2.                   │OutputStream │
  3.                   └─────────────┘
  4.                         ▲ ▲
  5. ┌─────────────────────┐ │ │ ┌──────────────────┐
  6. │  FileOutputStream   │─┤ └─│FilterOutputStream│
  7. └─────────────────────┘ │   └──────────────────┘
  8. ┌─────────────────────┐ │     ▲ ┌────────────────────┐
  9. │ByteArrayOutputStream│─┤     ├─│BufferedOutputStream│
  10. └─────────────────────┘ │     │ └────────────────────┘
  11. ┌─────────────────────┐ │     │ ┌────────────────────┐
  12. │ ServletOutputStream │─┘     ├─│  DataOutputStream  │
  13. └─────────────────────┘       │ └────────────────────┘
  14.                               │ ┌────────────────────┐
  15.                               └─│CheckedOutputStream │
  16.                                 └────────────────────┘

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：

Filter模式 - 图1

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）。

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Filter模式 - 图2Filter模式 - 图3