实践GoF的23种设计模式：装饰者模式

Posted 2022-07-02 华为云开发者联盟

摘要：装饰者模式通过组合的方式，提供了能够动态地给对象/模块扩展新功能的能力。理论上，只要没有限制，它可以一直把功能叠加下去，具有很高的灵活性。

本文分享自华为云社区《【Go实现】实践GoF的23种设计模式：装饰者模式》，作者： 元闰子。

简介

我们经常会遇到“给现有对象/模块新增功能”的场景，比如 http router 的开发场景下，除了最基础的路由功能之外，我们常常还会加上如日志、鉴权、流控等 middleware。如果你查看框架的源码，就会发现 middleware 功能的实现用的就是装饰者模式（Decorator Pattern）。

GoF 给装饰者模式的定义如下：

Decorators provide a flexible alternative to subclassing for extending functionality. Attach additional responsibilities to an object dynamically.

简单来说，装饰者模式通过组合的方式，提供了能够动态地给对象/模块扩展新功能的能力。理论上，只要没有限制，它可以一直把功能叠加下去，具有很高的灵活性。

如果写过 Java，那么一定对 I/O Stream 体系不陌生，它是装饰者模式的经典用法，客户端程序可以动态地为原始的输入输出流添加功能，比如按字符串输入输出，加入缓冲等，使得整个 I/O Stream 体系具有很高的可扩展性和灵活性。

UML 结构

场景上下文

在简单的分布式应用系统（示例代码工程）中，我们设计了 Sidecar 边车模块，它的用处主要是为了 1）方便扩展 network.Socket 的功能，如增加日志、流控等非业务功能；2）让这些附加功能对业务程序隐藏起来，也即业务程序只须关心看到 network.Socket 接口即可。

代码实现

Sidecar 的这个功能场景，很适合使用装饰者模式来实现，代码如下：

 // demo/network/socket.go
 package network
 ​
 // 关键点1: 定义被装饰的抽象接口
 // Socket 网络通信Socket接口
 type Socket interface 
     // Listen 在endpoint指向地址上起监听
     Listen(endpoint Endpoint) error
     // Close 关闭监听
     Close(endpoint Endpoint)
     // Send 发送网络报文
     Send(packet *Packet) error
     // Receive 接收网络报文
     Receive(packet *Packet)
     // AddListener 增加网络报文监听者
     AddListener(listener SocketListener)
 
 ​
 // 关键点2: 提供一个默认的基础实现
 type socketImpl struct 
     listener SocketListener
 
 ​
 func DefaultSocket() *socketImpl 
     return &socketImpl
 
 ​
 func (s *socketImpl) Listen(endpoint Endpoint) error 
     return Instance().Listen(endpoint, s)
 
 ... // socketImpl的其他Socket实现方法
 ​
 ​
 // demo/sidecar/flowctrl_sidecar.go
 package sidecar
 ​
 // 关键点3: 定义装饰器，实现被装饰的接口
 // FlowCtrlSidecar HTTP接收端流控功能装饰器，自动拦截Socket接收报文，实现流控功能
 type FlowCtrlSidecar struct 
   // 关键点4: 装饰器持有被装饰的抽象接口作为成员属性
     socket network.Socket
     ctx    *flowctrl.Context
 
 ​
 // 关键点5: 对于需要扩展功能的方法，新增扩展功能
 func (f *FlowCtrlSidecar) Receive(packet *network.Packet) 
     httpReq, ok := packet.Payload().(*http.Request)
     // 如果不是HTTP请求，则不做流控处理
     if !ok 
         f.socket.Receive(packet)
         return
    
     // 流控后返回429 Too Many Request响应
     if !f.ctx.TryAccept() 
         httpResp := http.ResponseOfId(httpReq.ReqId()).
             AddStatusCode(http.StatusTooManyRequest).
             AddProblemDetails("enter flow ctrl state")
         f.socket.Send(network.NewPacket(packet.Dest(), packet.Src(), httpResp))
         return
    
     f.socket.Receive(packet)
 
 ​
 // 关键点6: 不需要扩展功能的方法，直接调用被装饰接口的原生方法即可
 func (f *FlowCtrlSidecar) Close(endpoint network.Endpoint) 
     f.socket.Close(endpoint)
 
 ... // FlowCtrlSidecar的其他方法
 ​
 // 关键点7: 定义装饰器的工厂方法，入参为被装饰接口
 func NewFlowCtrlSidecar(socket network.Socket) *FlowCtrlSidecar 
     return &FlowCtrlSidecar
         socket: socket,
         ctx:    flowctrl.NewContext(),
    
 
 ​
 // demo/sidecar/all_in_one_sidecar_factory.go
 // 关键点8: 使用时，通过装饰器的工厂方法，把所有装饰器和被装饰者串联起来
 func (a AllInOneFactory) Create() network.Socket 
     return NewAccessLogSidecar(NewFlowCtrlSidecar(network.DefaultSocket()), a.producer)
 

总结实现装饰者模式的几个关键点：

1. 定义需要被装饰的抽象接口，后续的装饰器都是基于该接口进行扩展。
2. 为抽象接口提供一个基础实现。
3. 定义装饰器，并实现被装饰的抽象接口。
4. 装饰器持有被装饰的抽象接口作为成员属性。“装饰”的意思是在原有功能的基础上扩展新功能，因此必须持有原有功能的抽象接口。
5. 在装饰器中，对于需要扩展功能的方法，新增扩展功能。
6. 不需要扩展功能的方法，直接调用被装饰接口的原生方法即可。
7. 为装饰器定义一个工厂方法，入参为被装饰接口。
8. 使用时，通过装饰器的工厂方法，把所有装饰器和被装饰者串联起来。

扩展

Go 风格的实现

在 Sidecar 的场景上下文中，被装饰的 Socket 是一个相对复杂的接口，装饰器通过实现 Socket 接口来进行功能扩展，是典型的面向对象风格。

如果被装饰者是一个简单的接口/方法/函数，我们可以用更具 Go 风格的实现方式，考虑前文提到的 http router 场景。如果你使用原生的 net/http 进行 http router 开发，通常会这么实现：

 func main() 
   // 注册/hello的router
     http.HandleFunc("/hello", hello)
   // 启动http服务器
     http.ListenAndServe("localhost:8080", nil)
 
 ​
 // 具体的请求处理逻辑，类型是 http.HandlerFunc
 func hello(w http.ResponseWriter, r *http.Request) 
     w.Write([]byte("hello, world"))
 

其中，我们通过 http.HandleFunc 来注册具体的 router， hello 是具体的请求处理方法。现在，我们想为该 http 服务器增加日志、鉴权等通用功能，那么可以把 func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) 作为被装饰的抽象接口，通过新增日志、鉴权等装饰器完成功能扩展。

 // demo/network/http/http_handle_func_decorator.go
 ​
 // 关键点1: 确定被装饰接口，这里为原生的http.HandlerFunc
 type HandlerFunc func(ResponseWriter, *Request)
 ​
 // 关键点2: 定义装饰器类型，是一个函数类型，入参和返回值都是 http.HandlerFunc 函数
 type HttpHandlerFuncDecorator func(http.HandlerFunc) http.HandlerFunc
 ​
 // 关键点3: 定义装饰函数，入参为被装饰的接口和装饰器可变列表
 func Decorate(h http.HandlerFunc, decorators ...HttpHandlerFuncDecorator) http.HandlerFunc 
     // 关键点4: 通过for循环遍历装饰器，完成对被装饰接口的装饰
     for _, decorator := range decorators 
         h = decorator(h)
    
     return h
 
 ​
 // 关键点5: 实现具体的装饰器
 func WithBasicAuth(h http.HandlerFunc) http.HandlerFunc 
     return func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) 
         cookie, err := r.Cookie("Auth")
         if err != nil || cookie.Value != "Pass" 
             w.WriteHeader(http.StatusForbidden)
             return
        
         // 关键点6: 完成功能扩展之后，调用被装饰的方法，才能将所有装饰器和被装饰者串起来
         h(w, r)
    
 
 ​
 func WithLogger(h http.HandlerFunc) http.HandlerFunc 
     return func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) 
         log.Println(r.Form)
         log.Printf("path %s", r.URL.Path)
         h(w, r)
    
 
 ​
 func hello(w http.ResponseWriter, r *http.Request) 
     w.Write([]byte("hello, world"))
 
 ​
 func main() 
     // 关键点7: 通过Decorate函数完成对hello的装饰
     http.HandleFunc("/hello", Decorate(hello, WithLogger, WithBasicAuth))
     // 启动http服务器
     http.ListenAndServe("localhost:8080", nil)
 

上述的装饰者模式的实现，用到了类似于 Functional Options 的技巧，也是巧妙利用了 Go 的函数式编程的特点，总结下来有如下几个关键点：

1. 确定被装饰的接口，上述例子为 http.HandlerFunc。
2. 定义装饰器类型，是一个函数类型，入参和返回值都是被装饰接口，上述例子为 func(http.HandlerFunc) http.HandlerFunc。
3. 定义装饰函数，入参为被装饰的接口和装饰器可变列表，上述例子为 Decorate 方法。
4. 在装饰方法中，通过for循环遍历装饰器，完成对被装饰接口的装饰。这里是用来类似 Functional Options 的技巧，一定要注意装饰器的顺序！
5. 实现具体的装饰器，上述例子为 WithBasicAuth 和 WithLogger 函数。
6. 在装饰器中，完成功能扩展之后，记得调用被装饰者的接口，这样才能将所有装饰器和被装饰者串起来。
7. 在使用时，通过装饰函数完成对被装饰者的装饰，上述例子为 Decorate(hello, WithLogger, WithBasicAuth)。

Go 标准库中的装饰者模式

在 Go 标准库中，也有一个运用了装饰者模式的模块，就是 context，其中关键的接口如下：

 package context
 ​
 // 被装饰接口
 type Context interface 
     Deadline() (deadline time.Time, ok bool)
     Done() <-chan struct
     Err() error
     Value(key any) any
 
 ​
 // cancel装饰器
 type cancelCtx struct 
     Context // 被装饰接口
     mu       sync.Mutex
     done     atomic.Value
     children map[canceler]struct=
     err      error
 
 // cancel装饰器的工厂方法
 func WithCancel(parent Context) (ctx Context, cancel CancelFunc) 
     // ...  
     c := newCancelCtx(parent)
     propagateCancel(parent, &c)
     return &c, func()  c.cancel(true, Canceled) 
 
 ​
 // timer装饰器
 type timerCtx struct 
     cancelCtx // 被装饰接口
     timer *time.Timer
 ​
     deadline time.Time
 
 // timer装饰器的工厂方法
 func WithDeadline(parent Context, d time.Time) (Context, CancelFunc) 
   // ...
     c := &timerCtx
         cancelCtx: newCancelCtx(parent),
         deadline:  d,
    
     // ...
   return c, func()  c.cancel(true, Canceled) 
 
 // timer装饰器的工厂方法
 func WithTimeout(parent Context, timeout time.Duration) (Context, CancelFunc) 
     return WithDeadline(parent, time.Now().Add(timeout))
 
 ​
 // value装饰器
 type valueCtx struct 
     Context // 被装饰接口
     key, val any
 
 // value装饰器的工厂方法
 func WithValue(parent Context, key, val any) Context 
     if parent == nil 
         panic("cannot create context from nil parent")
    
   // ...
     return &valueCtxparent, key, val
 

使用时，可以这样：

 // 使用时，可以这样
 func main() 
     ctx := context.Background()
     ctx = context.WithValue(ctx, "key1", "value1")
     ctx, _ = context.WithTimeout(ctx, time.Duration(1))
     ctx = context.WithValue(ctx, "key2", "value2")
 

不管是 UML 结构，还是使用方法，context 模块都与传统的装饰者模式有一定出入，但也不妨碍 context 是装饰者模式的典型运用。还是那句话，学习设计模式，不能只记住它的结构，而是学习其中的动机和原理。

典型使用场景

• I/O 流，比如为原始的 I/O 流增加缓冲、压缩等功能。
• Http Router，比如为基础的 Http Router 能力增加日志、鉴权、Cookie等功能。
• ......

优缺点

优点

1. 遵循开闭原则，能够在不修改老代码的情况下扩展新功能。
2. 可以用多个装饰器把多个功能组合起来，理论上可以无限组合。

缺点

1. 一定要注意装饰器装饰的顺序，否则容易出现不在预期内的行为。
2. 当装饰器越来越多之后，系统也会变得复杂。

与其他模式的关联

装饰者模式和代理模式具有很高的相似性，但是两种所强调的点不一样。前者强调的是为本体对象添加新的功能；后者强调的是对本体对象的访问控制。

装饰者模式和适配器模式的区别是，前者只会扩展功能而不会修改接口；后者则会修改接口。

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