【Apache Commons Collections高级特性解析】：装饰器模式在集合中的应用

# 1. Apache Commons Collections概述

Apache Commons Collections（ACC）是Apache软件基金会下的一个Java集合框架扩展库。它提供了许多标准Java集合框架未包含的高级集合操作，补充并扩展了Java的集合类库。这一章节将对Apache Commons Collections库进行一个概览，包括其起源、核心功能以及它在现代Java应用程序中的应用。

ACC的主要目的是增强Java集合框架的能力，使其更加灵活和强大。它的核心优势在于引入了装饰器模式，该模式在许多面向对象的设计中扮演着关键角色，可以无损地为已有的对象添加新的行为。

通过本章，读者可以初步了解到ACC的使用场景以及其背后的设计理念。这为进一步探讨装饰器模式在ACC中的应用和优化奠定基础，同时让读者在遇到集合操作和优化需求时，能够想到并使用ACC作为解决方案的一部分。

# 2. 装饰器模式基础与实践

### 2.1 装饰器模式理论基础

装饰器模式是一种结构型设计模式，它允许用户在不改变对象的接口和类的情况下，向现有对象添加新的行为和功能。这种模式将对象放入包含行为的特殊封装类中，这些类将请求转发给原始对象并提供额外的操作。

#### 2.1.1 装饰器模式定义与设计原则

装饰器模式的定义中包含了四个关键角色：组件（Component）、具体组件（ConcreteComponent）、装饰器（Decorator）、具体装饰器（ConcreteDecorator）。组件定义了对象的接口，具体组件是实现了该接口的具体类。装饰器类同样实现了组件的接口，并持有一个组件类型的引用，以便将请求转发给它。具体装饰器则是装饰器的子类，用于添加新的行为。

装饰器模式的核心设计原则是：
- 开闭原则：类应该对扩展开放，对修改关闭。
- 单一职责原则：一个类应该只有一个引起它变化的原因。

#### 2.1.2 装饰器模式与继承的关系

装饰器模式与传统的继承方式相比，提供了更大的灵活性。通过装饰器模式，可以实现对对象的动态增强，而不需要修改原始类的代码。这种方式减少了继承的层次，也避免了继承所带来的“刚性”问题，即一旦添加了新的功能，就无法在不破坏现有结构的情况下进行修改或扩展。

### 2.2 装饰器模式在Java中的应用

#### 2.2.1 Java I/O流中的装饰器模式

Java I/O库中广泛使用了装饰器模式。例如，Java I/O的流（Stream）设计就是使用装饰器模式的经典例子。所有的输入流和输出流都继承自`InputStream`和`OutputStream`。`FilterInputStream`和`FilterOutputStream`是装饰器类，它们分别持有一个`InputStream`或`OutputStream`的实例，并在转发请求之前或之后添加了额外的功能。

public abstract class FilterInputStream extends InputStream {
    protected volatile InputStream in;

    protected FilterInputStream(InputStream in) {
        this.in = in;
    }
    // ... 其他方法
}

#### 2.2.2 使用装饰器模式增强对象行为

在Java中，使用装饰器模式可以轻松地为对象添加新的功能。比如，我们可以创建一个装饰器来增强`FileInputStream`，使其在读取文件内容的同时，能够记录日志：

public class LogginInputStream extends FilterInputStream {
    public LogginInputStream(InputStream in) {
        super(in);
    }

    @Override
    public int read() throws IOException {
        int result = super.read();
        log("Read byte: " + result);
        return result;
    }

    private void log(String message) {
        // 实现日志记录逻辑
        System.out.println(message);
    }
}

### 2.3 设计模式在集合框架中的应用案例

#### 2.3.1 标准Java集合框架的装饰器模式实例

在Java集合框架中，装饰器模式同样得到了应用。例如，`Collections`类提供了`checkedList`, `synchronizedList`, `unmodifiableList`等静态方法，它们返回的列表包装了原列表，并在每次操作时增加了额外的检查或修改。

List<String> list = new ArrayList<>();
List<String> checkedList = Collections.checkedList(list, String.class);

#### 2.3.2 如何利用装饰器模式进行扩展

利用装饰器模式进行扩展时，关键是理解客户端应该持有哪个类的对象。在装饰器模式中，客户端应该持有装饰器的引用。这样，我们可以在运行时动态地添加更多的装饰器，以增加更多的行为。

下面是一个简单的例子，展示如何使用Java的集合装饰器模式：

Map<String, String> map = new HashMap<>();
Map<String, String> synchronizedMap = Collections.synchronizedMap(map);

在这个例子中，我们首先创建了一个普通的`HashMap`，然后通过`Collections.synchronizedMap`方法获取了一个线程安全的`Map`实例。这个线程安全的`Map`实际上就是一个装饰器，它将所有的方法调用进行了同步处理。

通过这种方式，我们可以在不改变原有集合类实现的基础上，为它们添加额外的行为，比如线程安全控制、日志记录、事务管理等。装饰器模式让集合框架的扩展性和灵活性得到了极大的提升。

# 3. Apache Commons Collections中的装饰器模式

## 3.1 Apache Commons Collections装饰器类结构

### 3.1.1 装饰器类的层次结构

Apache Commons Collections库中的装饰器模式实现了集合框架的高级扩展。装饰器类位于集合接口之上，为现有的集合提供附加功能而无需修改集合本身。具体来说，装饰器类实现了与集合接口相同的方法签名，但提供了额外的处理逻辑。这允许开发者在保持原有集合不变的情况下，增强其功能。

例如，`***mons.collections4.collection装饰器类`就允许开发者在不改变原有`Collection`实例的情况下，添加装饰逻辑。装饰器类通常持有一个被装饰对象（通常是集合类型）的引用，然后在装饰器类的方法实现中，会首先调用被装饰对象的相应方法，然后加入额外的处理逻辑。

public class DecoratedCollection<E> extends AbstractCollection<E> {
    private final Collection<E> collection;

    public DecoratedCollection(Collection<E> collection) {
        this.collection = Objects.requireNonNull(collection);
    }

    @Override
    public boolean add(E e) {
        // 先调用被装饰的集合的add方法
        boolean added = collection.add(e);
        // 后续可以添加额外的装饰逻辑
        if (added) {
            // 装饰逻辑示例：记录日志
            logAddition(e);
        }
        return added;
    }

    private void logAddition(E e) {
        // 日志记录操作，仅作为示例
        System.out.println("Added: " + e);
    }
}

在上述代码中，`DecoratedCollection`类就是一个装饰器，它持有一个`Collection`类型的实例。当我们调用`add`方法时，它首先调用实际集合的`add`方法，然后根据需要加入其他逻辑（例如记录日志）。

装饰器模式的最大好处是它提供了一种透明的方式来增加对象的职责，而且可以轻易地组合多个装饰器来实现强大的功能。

### 3.1.2 装饰器与被装饰对象的关系

在装饰器模式中，装饰器类和被装饰对象之间的关系是高度解耦的。这意味着两者之间的交互尽可能地减少了直接依赖，转而通过接口或抽象类来实现。这种设计允许装饰器在运行时动态地“装饰”任何实现了相应接口的实例。

具体到Apache Commons Collections，`Transformer`和`Closure`是两个用于执行操作的接口，它们定义了一组通用的方法。任何实现了这些接口的类都可以被不同的装饰器使用，从而提供了极高的灵活性。

public interface Transformer<I, O> {
    O transform(I input);
}

public interface Closure<I> {
    void execute(I input);
}

例如，`***mons.collections4.CollectionUtils`类提供了大量静态方法来创建和使用`Transformer`和`Closure`实例。下面的示例展示了如何创建一个`Transformer`，它使用一个`Closure`来在集合中添加元素：

***mons.collections4.CollectionUtils;
***mons.collections4.Transformer;
***mons.collections4 Closure;

// 创建一个Transformer，它接受一个Closure
Transformer<Collection<String>, Collection<String>> transformer = new Transformer<Collection<String>, Collection<String>>() {
    @Override
    public Collection<String> transform(Collection<String> input) {
        // 创建一个新集合
        Collection<String> result = new ArrayList<>(input);
        Closure<String> closure = new Closure<String>() {
            @Override
            public void execute(String input) {
                result.add("Decorated: " + input);
            }
        };