设计模式--组合模式

目录

本文的结构如下：

• 引言
• 什么是组合模式
• 模式的结构
• 典型代码
• 代码示例
• 优点和缺点
• 适用环境
• 模式应用

一、引言

树形结构是很常见的，比如目录系统，随便点开一个文件夹，文件夹下面可能有文件，也有子文件夹，子文件夹中还有子子文件夹和文件......

20171127_composite01.png

还有导航中的菜单。

20171127_composite02.png

还有公司的部门构造等，展开来看都是树形的结构。

这些树形结构在面向对象的世界中一般是用组合模式来处理的。

组合模式通过一种巧妙的设计方案，可以一致性地处理整个树形结构或者树形结构的一部分，也可以一致性地处理树形结构中的叶子节点（不包含子节点的节点）和容器节点（包含子节点的节点）。

二、什么是组合模式

对于树形结构，当容器对象（如文件夹）的某一个方法被调用时，将遍历整个树形结构，寻找也包含这个方法的成员对象（可以是容器对象，也可以是叶子对象）并调用执行。这是靠递归调用的机制实现的。

由于容器对象和叶子对象在功能上的区别，在使用这些对象的代码中必须有区别地对待容器对象和叶子对象，而实际上大多数情况下我们希望一致地处理它们，因为对于这些对象的区别对待将会使得程序非常复杂。组合模式为解决此类问题而诞生，它可以让叶子对象和容器对象的使用具有一致性。

组合模式定义如下：

组合模式(Composite Pattern)：组合多个对象形成树形结构以表示具有“整体—部分”关系的层次结构。组合模式对单个对象（即叶子对象）和组合对象（即容器对象）的使用具有一致性，组合模式又可以称为“整体—部分”(Part-Whole)模式，它是一种对象结构型模式。

三、模式的结构

组合模式的UML类图如下：

20171127_composite03.png

在组合模式结构图中包含如下几个角色：

• Component（抽象构件）：它可以是接口或抽象类，为叶子构件和容器构件对象声明接口，在该角色中可以包含所有子类共有行为的声明和实现。在抽象构件中定义了访问及管理它的子构件的方法，如增加子构件、删除子构件、获取子构件等。
• Leaf（叶子构件）：它在组合结构中表示叶子节点对象，叶子节点没有子节点，它实现了在抽象构件中定义的行为。对于那些访问及管理子构件的方法，可以通过异常等方式进行处理。
• Composite（容器构件）：它在组合结构中表示容器节点对象，容器节点包含子节点，其子节点可以是叶子节点，也可以是容器节点，它提供一个集合用于存储子节点，实现了在抽象构件中定义的行为，包括那些访问及管理子构件的方法，在其业务方法中可以递归调用其子节点的业务方法。

组合模式的关键是定义了一个抽象构件类，它既可以代表叶子，又可以代表容器，而客户端针对该抽象构件类进行编程，无须知道它到底表示的是叶子还是容器，可以对其进行统一处理。同时容器对象与抽象构件类之间还建立一个聚合关联关系，在容器对象中既可以包含叶子，也可以包含容器，以此实现递归组合，形成一个树形结构。

如果不使用组合模式，客户端代码将过多地依赖于容器对象复杂的内部实现结构，容器对象内部实现结构的变化将引起客户代码的频繁变化，带来了代码维护复杂、可扩展性差等弊端。组合模式的引入将在一定程度上解决这些问题。

四、典型代码

4.1、抽象构件角色

一般将抽象构件类设计为接口或抽象类，将所有子类共有方法的声明和实现放在抽象构件类中。对于客户端而言，将针对抽象构件编程，而无须关心其具体子类是容器构件还是叶子构件。

public abstract class Component {
    /**
     * 增加成员
     * @param c
     */
    public void add(Component c){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    /**
     * 删除成员
     * @param c
     */
    public void remove(Component c){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    /**
     * 获取成员
     * @param i
     * @return
     */
    public Component getChild(int i){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    /**
     * 业务方法
     */
    public void operation(){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

为什么所有方法都抛出UnsupportedOperationException？是因为有些方法只对容器构件有意义，而有些方法只对叶子构件有意义，这样，如果某个子构件不支持某个操作，直接继承默认方法就可以了。

4.2、叶子构件

叶子构件继承自抽象构建抽象构建：

public class Leaf extends Component {
    @Override
    public void operation(){
        System.out.println("子构件");
    }
}

叶子构件不能再包含子构件，因此在叶子构件中只需事先业务方法，其他默认继承，抛出为什么所有方法都抛出UnsupportedOperationException。

4.3、容器构件

public class Composite extends Component {
    private List list = new ArrayList();

    @Override
    public void add(Component c){
        list.add(c);
    }

    @Override
    public void remove(Component c) {
        list.remove(c);
    }

    @Override
    public Component getChild(int i) {
        return list.get(i);
    }

    @Override
    public void operation(){
        for (Component child: list){
            child.operation();
        }
    }
}

容器构件中实现了在抽象构件中声明的所有方法，既包括业务方法，也包括用于访问和管理成员子构件的方法。

需要注意的是在实现具体业务方法时，由于容器构件充当的是容器角色，包含成员构件，因此它将调用其成员构件的业务方法。在组合模式结构中，由于容器构件中仍然可以包含容器构件，因此在对容器构件进行处理时需要使用递归算法，即在容器构件的operation()方法中递归调用其成员构件的operation()方法。

五、代码示例

假设这样的场景：

在电脑E盘有个文件夹，该文件夹下面有很多文件，有视频文件，有音频文件，有图像文件，还有包含视频、音频及图像的文件夹，十分杂乱，现希望将这些杂乱的文件展示出来。

20171127_composite04.png

这里其实就是一个树形结构，根据一定的规则分类后，大致是这样的：

20171127_composite05.png

5.1、不使用组合模式

注：当然可以一个循环遍历就搞定了，因为这里用的是文件的形式，如果是别的形式呢？所以不要太较真了，只是举例。

public class MusicFile {
    private String name;

    public MusicFile(String name){
        this.name = name;
    }

    public void print(){
        System.out.println(name);
    }
}

public class VideoFile {
    private String name;

    public VideoFile(String name){
        this.name = name;
    }

    public void print(){
        System.out.println(name);
    }
}

public class ImageFile {
    private String name;

    public ImageFile(String name){
        this.name = name;
    }

    public void print(){
        System.out.println(name);
    }
}

public class Folder {
    private String name;
    //音乐
    private List musicList = new ArrayList();
    //视频
    private List videoList = new ArrayList();
    //图片
    private List imageList = new ArrayList();
    //文件夹
    private List folderList = new ArrayList();

    public Folder(String name){
        this.name = name;
    }

    public void addFolder(Folder folder){
        folderList.add(folder);
    }

    public void addImage(ImageFile image){
        imageList.add(image);
    }

    public void addVideo(VideoFile video){
        videoList.add(video);
    }

    public void addMusic(MusicFile music){
        musicList.add(music);
    }

    public void print(){
        for (MusicFile music : musicList){
            music.print();
        }
        for (VideoFile video : videoList){
            video.print();
        }
        for(ImageFile image : imageList){
            image.print();
        }
        for (Folder folder : folderList){
            folder.print();
        }
    }
}

客户端测试：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        MusicFile m1 = new MusicFile("尽头.mp3");
        MusicFile m2 = new MusicFile("飘洋过海来看你.mp3");
        MusicFile m3 = new MusicFile("曾经的你.mp3");
        MusicFile m4 = new MusicFile("take me to your heart.mp3");

        VideoFile v1 = new VideoFile("战狼2.mp4");
        VideoFile v2 = new VideoFile("理想.avi");
        VideoFile v3 = new VideoFile("琅琊榜.avi");

        ImageFile i1 = new ImageFile("敦煌.png");
        ImageFile i2 = new ImageFile("baby.jpg");
        ImageFile i3 = new ImageFile("girl.jpg");

        Folder aa = new Folder("aa");
        aa.addImage(i3);

        Folder bb = new Folder("bb");
        bb.addMusic(m4);
        bb.addVideo(v3);

        Folder top = new Folder("top");
        top.addFolder(aa);
        top.addFolder(bb);
        top.addMusic(m1);
        top.addMusic(m2);
        top.addMusic(m3);
        top.addVideo(v1);
        top.addVideo(v2);
        top.addImage(i1);
        top.addImage(i2);

        top.print();
    }
}

如果采用上述的形式，有几个缺点：

• 文件夹类Folder的设计和实现都非常复杂，需要定义多个集合存储不同类型的成员，而且需要针对不同的成员提供增加、删除和获取等管理和访问成员的方法，存在大量的冗余代码，系统维护较为困难；
• 由于系统没有提供抽象层，客户端代码必须有区别地对待充当容器的文件夹Folder和充当叶子的MusicFile、ImageFile和VideoFile，无法统一对它们进行处理；
• 系统的灵活性和可扩展性差，如果增加了新的类型的叶子和容器都需要对原有代码进行修改，例如如果需要在系统中增加一种新类型的文本文件TextFile，则必须修改Folder类的源代码，否则无法在文件夹中添加文本文件。

5.2、使用组合模式改进

为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性，客户端可以一致地对待文件和文件夹，定义一个抽象构件AbstractFile，Folder充当容器构件，MusicFile、VideoFile和ImageFile充当叶子构件。

20171127_composite06.png

抽象构件AbstractFile：

public abstract class AbstractFile {
    public void add(AbstractFile file){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    
    public void remove(AbstractFile file){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public AbstractFile getChild(int i){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    
    public void print(){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

叶子构件:

public class MusicFile extends AbstractFile{
    private String name;

    public MusicFile(String name){
        this.name = name;
    }

    public void print(){
        System.out.println(name);
    }
}

public class VideoFile extends AbstractFile{
    private String name;

    public VideoFile(String name){
        this.name = name;
    }

    public void print(){
        System.out.println(name);
    }
}

public class ImageFile extends AbstractFile{
    private String name;

    public ImageFile(String name){
        this.name = name;
    }

    public void print(){
        System.out.println(name);
    }
}

容器构件:

public class Folder extends AbstractFile{
    private String name;
    private List files = new ArrayList();

    public Folder(String name){
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void add(AbstractFile file){
        files.add(file);
    }

    @Override
    public void remove(AbstractFile file){
        files.remove(file);
    }

    @Override
    public AbstractFile getChild(int i){
        return files.get(i);
    }

    @Override
    public void print(){
        for (AbstractFile file : files){
            file.print();
        }
    }
}

客户端测试：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractFile m1 = new MusicFile("尽头.mp3");
        AbstractFile m2 = new MusicFile("飘洋过海来看你.mp3");
        AbstractFile m3 = new MusicFile("曾经的你.mp3");
        AbstractFile m4 = new MusicFile("take me to your heart.mp3");

        AbstractFile v1 = new VideoFile("战狼2.mp4");
        AbstractFile v2 = new VideoFile("理想.avi");
        AbstractFile v3 = new VideoFile("琅琊榜.avi");

        AbstractFile i1 = new ImageFile("敦煌.png");
        AbstractFile i2 = new ImageFile("baby.jpg");
        AbstractFile i3 = new ImageFile("girl.jpg");

        AbstractFile aa = new Folder("aa");
        aa.add(i3);

        AbstractFile bb = new Folder("bb");
        bb.add(m4);
        bb.add(v3);

        AbstractFile top = new Folder("top");
        top.add(aa);
        top.add(bb);
        top.add(m1);
        top.add(m2);
        top.add(m3);
        top.add(v1);
        top.add(v2);
        top.add(i1);
        top.add(i2);

        top.print();
    }
}

用组合模式提供一个抽象构件后，客户端可以一致对待容器构件和叶子构件，进行统一处理，并且大量减少了冗余，扩展性也很好，新增TextFile无需修改Folder源码，只需修改客户端即可。

当然，这里似乎有点违法“迭代器模式”中讲的“单一职责原则”，的确是，抽象构件不但要管理层次结构，还要执行一些业务操作。

我觉得应该这样理解问题，设计模式并不应该是生套似的，各种设计原则也并不是说一定不能破坏的，所有的种种都是为了更好的解决问题，更好的进行扩展维护，当适度破坏既定的原则，却可以更好的解决问题时，显然这里以单一设计原则换取了透明性，这种折中方案是可取的。

六、优点和缺点

6.1、优点

组合模式的主要优点如下：

• 组合模式可以清楚地定义分层次的复杂对象，表示对象的全部或部分层次，它让客户端忽略了层次的差异，方便对整个层次结构进行控制。
• 客户端可以一致地使用一个组合结构或其中单个对象，不必关心处理的是单个对象还是整个组合结构，简化了客户端代码。
• 在组合模式中增加新的容器构件和叶子构件都很方便，无须对现有类库进行任何修改，符合“开闭原则”。
• 组合模式为树形结构的面向对象实现提供了一种灵活的解决方案，通过叶子对象和容器对象的递归组合，可以形成复杂的树形结构，但对树形结构的控制却非常简单。

6.2、缺点

组合模式的主要缺点如下：

• 破坏了“单一职责原则”。
• 在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。有时候我们希望一个容器中只能有某些特定类型的对象，例如在某个文件夹中只能包含文本文件，使用组合模式时，不能依赖类型系统来施加这些约束，因为它们都来自于相同的抽象层，在这种情况下，必须通过在运行时进行类型检查来实现，这个实现过程较为复杂。

七、适用环境

在以下情况下可以考虑使用组合模式：

• 在具有整体和部分的层次结构中，希望通过一种方式忽略整体与部分的差异，客户端可以一致地对待它们。
• 在一个使用面向对象语言开发的系统中需要处理一个树形结构。
• 在一个系统中能够分离出叶子对象和容器对象，而且它们的类型不固定，需要增加一些新的类型。

八、模式应用

组合模式使用面向对象的思想来实现树形结构的构建与处理，描述了如何将容器对象和叶子对象进行递归组合，实现简单，灵活性好。由于在软件开发中存在大量的树形结构，因此组合模式是一种使用频率较高的结构型设计模式，Java SE中的AWT和Swing包的设计就基于组合模式，在这些界面包中为用户提供了大量的容器构件（如Container）和成员构件（如Checkbox、Button和TextArea等）。

20171127_composite07.png