Java IO 體系中裝飾器模式深度解析：從源碼看 FilterOutputStream 如何實現動態功能增強

JDK 大量運用設計模式保證類庫可擴展性，java.io 包是裝飾器模式的教科書級應用。本文通過源碼級分析 OutputStream 體系，揭示 FilterOutputStream 如何作為抽象裝飾器，讓 BufferedOutputStream、DataOutputStream 等具體裝飾器動態組合功能，並指導你實現自定義輸出流。

裝飾器模式核心結構回顧

• Component：定義核心介面（OutputStream）
• ConcreteComponent：基礎實現（FileOutputStream、ByteArrayOutputStream）
• Decorator：抽象裝飾器，持有 Component 引用，轉發請求（FilterOutputStream）
• ConcreteDecorator：具體裝飾，轉發前後增強行為（BufferedOutputStream、DataOutputStream）

OutputStream 體系源碼級裝飾器結構

1. Component：OutputStream 抽象基類

public abstract class OutputStream implements Closeable, Flushable {
    public abstract void write(int b) throws IOException;  // 核心寫入契約
    public void write(byte[] b) throws IOException { ... } // 默認委託單字節寫入
    public void write(byte[] b, int off, int len) throws IOException { ... }
    public void flush() throws IOException { }
    public void close() throws IOException { }
}

2. ConcreteComponent：基礎輸出流

FileOutputStream：寫入文件；ByteArrayOutputStream：寫入內存字節數組（自動擴容）；PipedOutputStream：線程間管道輸出。它們直接繼承 OutputStream，實現 write(int b) 完成實際輸出。

3. Decorator：FilterOutputStream 抽象裝飾器

public class FilterOutputStream extends OutputStream {
    protected final OutputStream out;  // 持有被裝飾對象引用

    protected FilterOutputStream(OutputStream out) {
        this.out = out;
    }

    // 默認轉發實現：無增強，單純透傳
    public void write(int b) throws IOException {
        out.write(b);
    }
    public void write(byte[] b) throws IOException {
        out.write(b);
    }
    public void write(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
        out.write(b, off, len);
    }
    public void flush() throws IOException { out.flush(); }
    public void close() throws IOException { out.close(); }
    // ... 其他方法均轉發
}

關鍵設計：構造器強制傳入 OutputStream，編譯期保證被裝飾對象存在；所有核心方法默認轉發，**子類只需覆寫需增強的方法**，遵循開閉原則。

4. ConcreteDecorator：具體裝飾器實現

BufferedOutputStream：緩衝寫入增強

public class BufferedOutputStream extends FilterOutputStream {
    private byte[] buf;
    private int count;

    public BufferedOutputStream(OutputStream out) {
        this(out, 8192);  // 默認 8KB 緩衝區
    }

    @Override
    public synchronized void write(int b) throws IOException {
        if (count >= buf.length) flushBuffer();  // 滿則刷新
        buf[count++] = (byte) b;
    }

    @Override
    public synchronized void write(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
        if (len >= buf.length) {  // 大數據直接寫入底層，避免雙重拷貝
            flushBuffer();
            out.write(b, off, len);
            return;
        }
        if (len > buf.length - count) flushBuffer();
        System.arraycopy(b, off, buf, count, len);
        count += len;
    }

    private void flushBuffer() throws IOException {
        if (count > 0) {
            out.write(buf, 0, count);
            count = 0;
        }
    }
    // flush/close 時調用 flushBuffer()
}

DataOutputStream：基本類型序列化增強

public class DataOutputStream extends FilterOutputStream implements DataOutput {
    public DataOutputStream(OutputStream out) { super(out); }

    @Override public void writeInt(int v) throws IOException {
        out.write((v >>> 24) & 0xFF);
        out.write((v >>> 16) & 0xFF);
        out.write((v >>> 8) & 0xFF);
        out.write(v & 0xFF);
    }
    // writeLong, writeDouble, writeUTF 等類似
}

實戰：自定義裝飾器 - 過濾空格輸出流

需求

寫入數據時自動過濾空格字符（' '），如 "java io" → "javaio"。

實現

import java.io.FilterOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;

public class SkipSpaceOutputStream extends FilterOutputStream {

    public SkipSpaceOutputStream(OutputStream out) {
        super(out);
    }

    @Override
    public void write(int b) throws IOException {
        if (b != ' ') {  // 過濾空格
            super.write(b);  // 轉發給被裝飾流
        }
    }

    // 為性能考慮，亦可覆寫 write(byte[], int, int) 批量過濾
    @Override
    public void write(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
        for (int i = off; i < off + len; i++) {
            if (b[i] != ' ') {
                out.write(b[i]);
            }
        }
    }
}

測試驗證

public class TestSkipSpace {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        byte[] input = "a b c d e f".getBytes();
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        OutputStream out = new SkipSpaceOutputStream(new DataOutputStream(baos));

        out.write(input);
        out.close();

        System.out.println(baos.toString());  // 輸出: abcdef
    }
}

裝飾器鏈組合示例

// 鏈式裝飾：文件 → 緩衝 → 數據類型序列化 → 空格過濾
OutputStream out = new SkipSpaceOutputStream(
                        new DataOutputStream(
                            new BufferedOutputStream(
                                new FileOutputStream("test.txt"))));

out.write("h e l l o".getBytes());  // 文件實際寫入: hello
out.close();

每層裝飾器只關注單一職責，組合靈活，運行時動態決定功能疊加順序。

雙向體系：InputStream / Reader / Writer 同構設計

所有體系均遵循：抽象基類 → 具體基礎流 → 抽象裝飾器 → 具體功能裝飾器 結構。

設計模式對比與選型指南

總結

1. FilterOutputStream 以組合替代繼承，構造器注入被裝飾對象，默認轉發，子類選擇性增強 —— 裝飾器模式標準落地。
2. 裝飾器鏈順序即語義：Buffered → GZIP → File 先緩衡再壓縮寫磁盤；GZIP → Buffered → File 壓縮後緩衡（通常無意義）。
3. 自定義裝飾器只需繼承 FilterOutputStream/FilterInputStream/FilterWriter/FilterReader，覆寫核心 write/read 方法，即可無縫融入 JDK IO 體系。
4. 理解此結構，能從根本上看透 java.io、java.nio、第三方 IO 庫（Okio、Netty ByteBuf）的設計邏輯。