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title: Java IO 设计模式总结
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category: Java
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tag:
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- Java IO
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- Java基础
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这篇文章我们简单来看看我们从 IO 中能够学习到哪些设计模式的应用。
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## 装饰器模式
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**装饰器（Decorator）模式** 可以在不改变原有对象的情况下拓展其功能。
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装饰器模式通过组合替代继承来扩展原始类的功能，在一些继承关系比较复杂的场景（IO 这一场景各种类的继承关系就比较复杂）更加实用。
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对于字节流来说， `FilterInputStream` （对应输入流）和`FilterOutputStream`（对应输出流）是装饰器模式的核心，分别用于增强 `InputStream` 和`OutputStream`子类对象的功能。
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我们常见的`BufferedInputStream`(字节缓冲输入流)、`DataInputStream` 等等都是`FilterInputStream` 的子类，`BufferedOutputStream`（字节缓冲输出流）、`DataOutputStream`等等都是`FilterOutputStream`的子类。
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举个例子，我们可以通过 `BufferedInputStream`（字节缓冲输入流）来增强 `FileInputStream` 的功能。
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`BufferedInputStream` 构造函数如下：
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```java
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public BufferedInputStream(InputStream in) {
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this(in, DEFAULT_BUFFER_SIZE);
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}
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public BufferedInputStream(InputStream in, int size) {
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super(in);
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if (size <= 0) {
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throw new IllegalArgumentException("Buffer size <= 0");
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}
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buf = new byte[size];
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}
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```
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可以看出，`BufferedInputStream` 的构造函数其中的一个参数就是 `InputStream` 。
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`BufferedInputStream` 代码示例：
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```java
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try (BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream("input.txt"))) {
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int content;
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long skip = bis.skip(2);
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while ((content = bis.read()) != -1) {
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System.out.print((char) content);
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}
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} catch (IOException e) {
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e.printStackTrace();
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}
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```
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这个时候，你可以会想了：**为啥我们直接不弄一个`BufferedFileInputStream`（字符缓冲文件输入流）呢？**
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```java
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BufferedFileInputStream bfis = new BufferedFileInputStream("input.txt");
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```
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如果 `InputStream`的子类比较少的话，这样做是没问题的。不过， `InputStream`的子类实在太多，继承关系也太复杂了。如果我们为每一个子类都定制一个对应的缓冲输入流，那岂不是太麻烦了。
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如果你对 IO 流比较熟悉的话，你会发现`ZipInputStream` 和`ZipOutputStream` 还可以分别增强 `BufferedInputStream` 和 `BufferedOutputStream` 的能力。
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```java
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BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(new FileInputStream(fileName));
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ZipInputStream zis = new ZipInputStream(bis);
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BufferedOutputStream bos = new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(fileName));
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ZipOutputStream zipOut = new ZipOutputStream(bos);
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```
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`ZipInputStream` 和`ZipOutputStream` 分别继承自`InflaterInputStream` 和`DeflaterOutputStream`。
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```java
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public
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class InflaterInputStream extends FilterInputStream {
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}
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public
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class DeflaterOutputStream extends FilterOutputStream {
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}
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```
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这也是装饰器模式很重要的一个特征，那就是可以对原始类嵌套使用多个装饰器。
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为了实现这一效果，装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或者实现相同的接口。上面介绍到的这些 IO 相关的装饰类和原始类共同的父类是 `InputStream` 和`OutputStream`。
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对于字符流来说，`BufferedReader` 可以用来增加 `Reader` （字符输入流）子类的功能，`BufferedWriter` 可以用来增加 `Writer` （字符输出流）子类的功能。
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```java
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BufferedWriter bw = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(new FileOutputStream(fileName), "UTF-8"));
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```
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IO 流中的装饰器模式应用的例子实在是太多了，不需要特意记忆，完全没必要哈！搞清了装饰器模式的核心之后，你在使用的时候自然就会知道哪些地方运用到了装饰器模式。
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## 适配器模式
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**适配器（Adapter Pattern）模式** 主要用于接口互不兼容的类的协调工作，你可以将其联想到我们日常经常使用的电源适配器。
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适配器模式中存在被适配的对象或者类称为 **适配者(Adaptee)** ，作用于适配者的对象或者类称为**适配器(Adapter)** 。适配器分为对象适配器和类适配器。类适配器使用继承关系来实现，对象适配器使用组合关系来实现。
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IO 流中的字符流和字节流的接口不同，它们之间可以协调工作就是基于适配器模式来做的，更准确点来说是对象适配器。通过适配器，我们可以将字节流对象适配成一个字符流对象，这样我们可以直接通过字节流对象来读取或者写入字符数据。
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`InputStreamReader` 和 `OutputStreamWriter` 就是两个适配器(Adapter)， 同时，它们两个也是字节流和字符流之间的桥梁。`InputStreamReader` 使用 `StreamDecoder` （流解码器）对字节进行解码，**实现字节流到字符流的转换，** `OutputStreamWriter` 使用`StreamEncoder`（流编码器）对字符进行编码，实现字符流到字节流的转换。
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`InputStream` 和 `OutputStream` 的子类是被适配者， `InputStreamReader` 和 `OutputStreamWriter`是适配器。
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```java
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// InputStreamReader 是适配器，FileInputStream 是被适配的类
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InputStreamReader isr = new InputStreamReader(new FileInputStream(fileName), "UTF-8");
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// BufferedReader 增强 InputStreamReader 的功能（装饰器模式）
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BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(isr);
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```
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`java.io.InputStreamReader` 部分源码：
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```java
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public class InputStreamReader extends Reader {
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//用于解码的对象
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private final StreamDecoder sd;
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public InputStreamReader(InputStream in) {
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super(in);
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try {
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// 获取 StreamDecoder 对象
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sd = StreamDecoder.forInputStreamReader(in, this, (String)null);
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} catch (UnsupportedEncodingException e) {
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throw new Error(e);
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}
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}
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// 使用 StreamDecoder 对象做具体的读取工作
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public int read() throws IOException {
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return sd.read();
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}
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}
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```
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`java.io.OutputStreamWriter` 部分源码：
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```java
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public class OutputStreamWriter extends Writer {
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// 用于编码的对象
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private final StreamEncoder se;
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public OutputStreamWriter(OutputStream out) {
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super(out);
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try {
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||
// 获取 StreamEncoder 对象
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se = StreamEncoder.forOutputStreamWriter(out, this, (String)null);
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||
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
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throw new Error(e);
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}
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}
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// 使用 StreamEncoder 对象做具体的写入工作
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public void write(int c) throws IOException {
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se.write(c);
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}
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}
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```
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**适配器模式和装饰器模式有什么区别呢？**
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**装饰器模式** 更侧重于动态地增强原始类的功能，装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或者实现相同的接口。并且，装饰器模式支持对原始类嵌套使用多个装饰器。
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**适配器模式** 更侧重于让接口不兼容而不能交互的类可以一起工作，当我们调用适配器对应的方法时，适配器内部会调用适配者类或者和适配类相关的类的方法，这个过程透明的。就比如说 `StreamDecoder` （流解码器）和`StreamEncoder`（流编码器）就是分别基于 `InputStream` 和 `OutputStream` 来获取 `FileChannel`对象并调用对应的 `read` 方法和 `write` 方法进行字节数据的读取和写入。
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```java
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StreamDecoder(InputStream in, Object lock, CharsetDecoder dec) {
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// 省略大部分代码
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// 根据 InputStream 对象获取 FileChannel 对象
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ch = getChannel((FileInputStream)in);
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}
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```
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适配器和适配者两者不需要继承相同的抽象类或者实现相同的接口。
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另外，`FutureTask` 类使用了适配器模式，`Executors` 的内部类 `RunnableAdapter` 实现属于适配器，用于将 `Runnable` 适配成 `Callable`。
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`FutureTask`参数包含 `Runnable` 的一个构造方法：
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```java
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public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
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// 调用 Executors 类的 callable 方法
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this.callable = Executors.callable(runnable, result);
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this.state = NEW;
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}
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```
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`Executors`中对应的方法和适配器：
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```java
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// 实际调用的是 Executors 的内部类 RunnableAdapter 的构造方法
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public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
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if (task == null)
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throw new NullPointerException();
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return new RunnableAdapter<T>(task, result);
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}
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// 适配器
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static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
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final Runnable task;
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final T result;
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RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
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this.task = task;
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this.result = result;
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}
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public T call() {
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task.run();
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return result;
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}
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}
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```
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## 工厂模式
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工厂模式用于创建对象，NIO 中大量用到了工厂模式，比如 `Files` 类的 `newInputStream` 方法用于创建 `InputStream` 对象（静态工厂）、 `Paths` 类的 `get` 方法创建 `Path` 对象（静态工厂）、`ZipFileSystem` 类（`sun.nio`包下的类，属于 `java.nio` 相关的一些内部实现）的 `getPath` 的方法创建 `Path` 对象（简单工厂）。
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```java
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InputStream is = Files.newInputStream(Paths.get(generatorLogoPath))
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```
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## 观察者模式
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NIO 中的文件目录监听服务使用到了观察者模式。
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NIO 中的文件目录监听服务基于 `WatchService` 接口和 `Watchable` 接口。`WatchService` 属于观察者，`Watchable` 属于被观察者。
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`Watchable` 接口定义了一个用于将对象注册到 `WatchService`（监控服务） 并绑定监听事件的方法 `register` 。
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```java
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public interface Path
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extends Comparable<Path>, Iterable<Path>, Watchable{
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}
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public interface Watchable {
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WatchKey register(WatchService watcher,
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WatchEvent.Kind<?>[] events,
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WatchEvent.Modifier... modifiers)
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throws IOException;
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}
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```
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`WatchService` 用于监听文件目录的变化，同一个 `WatchService` 对象能够监听多个文件目录。
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```java
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// 创建 WatchService 对象
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WatchService watchService = FileSystems.getDefault().newWatchService();
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// 初始化一个被监控文件夹的 Path 类:
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Path path = Paths.get("workingDirectory");
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// 将这个 path 对象注册到 WatchService（监控服务） 中去
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WatchKey watchKey = path.register(
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watchService, StandardWatchEventKinds...);
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```
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`Path` 类 `register` 方法的第二个参数 `events` （需要监听的事件）为可变长参数，也就是说我们可以同时监听多种事件。
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```java
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WatchKey register(WatchService watcher,
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WatchEvent.Kind<?>... events)
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throws IOException;
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```
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常用的监听事件有 3 种：
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- `StandardWatchEventKinds.ENTRY_CREATE`：文件创建。
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- `StandardWatchEventKinds.ENTRY_DELETE` : 文件删除。
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- `StandardWatchEventKinds.ENTRY_MODIFY` : 文件修改。
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`register` 方法返回 `WatchKey` 对象，通过`WatchKey` 对象可以获取事件的具体信息比如文件目录下是创建、删除还是修改了文件、创建、删除或者修改的文件的具体名称是什么。
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```java
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WatchKey key;
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while ((key = watchService.take()) != null) {
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for (WatchEvent<?> event : key.pollEvents()) {
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// 可以调用 WatchEvent 对象的方法做一些事情比如输出事件的具体上下文信息
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}
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key.reset();
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}
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```
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`WatchService` 内部是通过一个 daemon thread（守护线程）采用定期轮询的方式来检测文件的变化，简化后的源码如下所示。
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```java
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class PollingWatchService
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extends AbstractWatchService
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{
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// 定义一个 daemon thread（守护线程）轮询检测文件变化
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private final ScheduledExecutorService scheduledExecutor;
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PollingWatchService() {
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scheduledExecutor = Executors
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.newSingleThreadScheduledExecutor(new ThreadFactory() {
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||
@Override
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public Thread newThread(Runnable r) {
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Thread t = new Thread(r);
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||
t.setDaemon(true);
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return t;
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}});
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}
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void enable(Set<? extends WatchEvent.Kind<?>> events, long period) {
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synchronized (this) {
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||
// 更新监听事件
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this.events = events;
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// 开启定期轮询
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Runnable thunk = new Runnable() { public void run() { poll(); }};
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this.poller = scheduledExecutor
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.scheduleAtFixedRate(thunk, period, period, TimeUnit.SECONDS);
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}
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||
}
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||
}
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```
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## 参考
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- Patterns in Java APIs：<http://cecs.wright.edu/~tkprasad/courses/ceg860/paper/node26.html>
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- 装饰器模式：通过剖析 Java IO 类库源码学习装饰器模式：<https://time.geekbang.org/column/article/204845>
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||
- sun.nio 包是什么，是 java 代码么？ - RednaxelaFX <https://www.zhihu.com/question/29237781/answer/43653953>
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