【23种设计模式】组合模式【⭐】
个人主页：金鳞踏雨
个人简介：大家好，我是金鳞，一个初出茅庐的Java小白
目前状况：22届普通本科毕业生，几经波折了，现在任职于一家国内大型知名日化公司，从事Java开发工作
我的博客：这里是CSDN，是我学习技术，总结知识的地方。希望和各位大佬交流，共同进步 ~
本篇博客内容来自"IT楠老师的设计模式~"，出品时结合了个人理解~
比较特殊，所适用的场景比较狭窄！只有在构建树形结构的时候才可能用到。
一、组合模式的原理与实现
在 GoF 的《设计模式》一书中，组合模式是这样定义的：
Compose objects into tree structure to represent part-whole hierarchies.Composite lets client treat individual objects and compositions of objects uniformly.
翻译过来就是：将一组对象组织（Compose）成树形结构，以表示一种“部分 - 整体”的层次结构。组合让客户端可以统一单个对象和组合对象的处理逻辑。
组合模式（Composite Pattern）是一种结构型设计模式。在组合模式中，每个对象都有相同的接口，这使得客户端不需要知道对象的具体类型，而只需要调用对象的通用接口即可。
组合模式涉及到的角色
- Component（抽象构件）：定义组合对象的通用接口，可以包含其他组合对象或叶子对象。
- Leaf（叶子节点）：表示组合对象中的叶子节点，它没有子节点。
- Composite（组合节点）：表示组合对象中的组合节点，它可以包含其他组合对象或叶子对象。
案例一
下面是一个简单的组合模式示例代码，用于表示文件系统中的文件和文件夹：
// Component（抽象构件）
interface FileSystem {
void display();
}
// Leaf（叶子节点）-- 文件
class File implements FileSystem {
private String name;
public File(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void display() {
System.out.println("File: " + name);
}
}
// Composite（组合节点） -- 文件夹
class Folder implements FileSystem {
// 文件夹里面有 -- 文件、文件夹
private String name;
private List children;
public Folder(String name) {
this.name = name;
children = new ArrayList<>();
}
public void add(FileSystem fileSystem) {
children.add(fileSystem);
}
public void remove(FileSystem fileSystem) {
children.remove(fileSystem);
}
@Override
public void display() {
System.out.println("Folder: " + name);
for (FileSystem fileSystem : children) {
fileSystem.display();
}
}
}
// 客户端代码
public class Client {
public static void main(String[] args) {
// 文件
FileSystem file1 = new File("file1.txt");
FileSystem file2 = new File("file2.txt");
// 文件夹
Folder folder1 = new Folder("folder1");
folder1.add(file1);
folder1.add(file2);
FileSystem file3 = new File("file3.txt");
FileSystem file4 = new File("file4.txt");
Folder folder2 = new Folder("folder2");
folder2.add(file3);
folder2.add(file4);
folder2.add(folder1);
folder2.display();
}
} 在这个示例中，FileSystem 是抽象构件，它定义了组合对象的通用接口 display。File 是叶子节点，表示文件，它实现了 FileSystem 接口，并在 display 方法中输出文件名。Folder 是组合节点，表示文件夹，它实现了 FileSystem 接口，并维护了一个子节点列表 children，可以添加和删除子节点。在 display 方法中，它首先输出文件夹名，然后依次调用子节点的 display 方法输出子节点信息。
在客户端代码中，我们创建了一些文件和文件夹，然后将它们组合成了一个树形结构，最后调用根最后调用根节点（即 folder2）的 display 方法，输出了整个文件系统的信息。这样，我们就可以通过组合模式，使用相同的方式来处理单个文件和整个文件系统。
案例一（进阶）
那接下来我们将文件目录的案例做一个升级，如何设计实现支持递归遍历的文件系统目录树结构？
假设我们有这样一个需求，设计一个类来表示文件系统中的目录，能方便地实现下面这些功能：
- 动态地添加、删除某个目录下的子目录或文件
- 统计指定目录下的文件个数
- 统计指定目录下的文件总大小
我这里给出了这个类的骨架代码，在下面的代码实现中，我们把文件和目录统一用 FileSystemNode 类来表示，并且通过 isFile 属性来区分。
// 文件 与 目录
public class FileSystemNode {
private String path;
// 标识区分（文件 -- 目录）
private boolean isFile;
private List subNodes = new ArrayList<>();
public FileSystemNode(String path, boolean isFile) {
this.path = path;
this.isFile = isFile;
}
public int countNumOfFiles() {
if (isFile) {
return 1;
}
int numOfFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles();
}
return numOfFiles;
}
public long countSizeOfFiles() {
if (isFile) {
File file = new File(path);
if (!file.exists()) return 0;
return file.length();
}
long sizeofFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles();
}
return sizeofFiles;
}
public String getPath() {
return path;
}
public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
subNodes.add(fileOrDir);
}
public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
int size = subNodes.size();
for (int i = 0; i < size; ++i) {
if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) {
subNodes.remove(i);
i--;
}
}
}
} 单纯从功能实现角度来说，上面的代码没有问题，已经实现了我们想要的功能。但是，如果我们开发的是一个大型系统，从扩展性（文件或目录可能会对应不同的操作）、业务建模（文件和目录从业务上是两个概念）、代码的可读性（文件和目录区分对待更加符合人们对业务的认知）的角度来说，我们最好对文件和目录进行区分设计，定义为 File 和 Directory 两个类。
按照这个设计思路，我们对代码进行重构。
重构之后的代码如下所示：
public abstract class FileSystemNode {
protected String path;
public FileSystemNode(String path) {
this.path = path;
}
public abstract int countNumOfFiles();
public abstract long countSizeOfFiles();
public String getPath() {
return path;
}
}
public class File extends FileSystemNode {
public File(String path) {
super(path);
}
@Override
public int countNumOfFiles() {
return 1;
}
@Override
public long countSizeOfFiles() {
java.io.File file = new java.io.File(path);
if (!file.exists()) return 0;
return `
}
}
public class Directory extends FileSystemNode {
private List subNodes = new ArrayList<>();
public Directory(String path) {
super(path);
}
@Override
public int countNumOfFiles() {
int numOfFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles();
}
return numOfFiles;
}
@Override
public long countSizeOfFiles() {
long sizeofFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles();
}
return sizeofFiles;
}
public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
subNodes.add(fileOrDir);
}
public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
int size = subNodes.size();
int i = 0;
for (; i < size; ++i) {
if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) {
break;
}
}
if (i < size) {
subNodes.remove(i);
}
}
} 文件和目录类都设计好了，我们来看，如何用它们来表示一个文件系统中的目录树结构。
具体的代码示例如下所示：
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
Directory fileSystemTree = new Directory("/");
Directory nodeYdlclass = new Directory("/ydlclass/");
Directory nodeYdl = new Directory("/ydl/");
fileSystemTree.addSubNode(nodeYdlclass);
fileSystemTree.addSubNode(nodeYdl);
File nodeYdlclassA = new File("/ydlclass/a.txt");
File nodeYdlclassB = new File("/ydlclass/b.txt");
Directory nodeYdlclassMovies = new Directory("/ydlclass/movies/");
nodeYdlclass.addSubNode(nodeYdlclassA);
nodeYdlclass.addSubNode(nodeYdlclassB);
nodeYdlclass.addSubNode(nodeYdlclassMovies);
File nodeYdlclassMoviesC = new File("/ydlclass/movies/c.avi");
nodeYdlclassMovies.addSubNode(nodeYdlclassMoviesC);
System.out.println("/ files num:" + fileSystemTree.countNumOfFiles());
System.out.println("/wz/ files num:" + node_wz.countNumOfFiles());
}
}我们对照着这个例子，再重新看一下组合模式的定义：“将一组对象（文件和目录）组织成树形结构，以表示一种‘部分 - 整体’的层次结构（目录与子目录的嵌套结构）。组合模式让客户端可以统一单个对象（文件）和组合对象（目录）的处理逻辑（递归遍历）。”
实际上，刚才讲的这种组合模式的设计思路，与其说是一种设计模式，倒不如说是对业务场景的一种数据结构和算法的抽象。其中，数据可以表示成树这种数据结构，业务需求可以通过在树上的递归遍历算法来实现。
案例二
假设我们在开发一个 OA 系统（办公自动化系统）。公司的组织结构包含部门和员工两种数据类型。其中，部门又可以包含子部门和员工。在数据库中的表结构如下所示：
我们希望在内存中构建整个公司的人员架构图（部门、子部门、员工的隶属关系），并且提供接口计算出部门的薪资成本（隶属于这个部门的所有员工的薪资和）。
部门包含子部门和员工，这是一种嵌套结构，可以表示成树这种数据结构。计算每个部门的薪资开支这样一个需求，也可以通过在树上的遍历算法来实现。所以，从这个角度来看，这个应用场景可以使用组合模式来设计和实现。
这个例子的代码结构跟上一个例子的很相似，代码实现我直接贴在了下面，你可以对比着看一下。其中，HumanResource 是部门类（Department）和员工类（Employee）抽象出来的父类，为的是能统一薪资的处理逻辑。Demo 中的代码负责从数据库中读取数据并在内存中构建组织架构图。
public abstract class HumanResource {
protected long id;
protected double salary;
public HumanResource(long id) {
this.id = id;
}
public long getId() {
return id;
}
public abstract double calculateSalary();
}
public class Employee extends HumanResource {
public Employee(long id, double salary) {
super(id);
this.salary = salary;
}
@Override
public double calculateSalary() {
return salary;
}
}
public class Department extends HumanResource {
private List subNodes = new ArrayList<>();
public Department(long id) {
super(id);
}
@Override
public double calculateSalary() {
double totalSalary = 0;
for (HumanResource hr : subNodes) {
totalSalary += hr.calculateSalary();
}
this.salary = totalSalary;
return totalSalary;
}
public void addSubNode(HumanResource hr) {
subNodes.add(hr);
}
}
// 构建组织架构的代码
public class Demo {
private static final long ORGANIZATION_ROOT_ID = 1001;
private DepartmentRepo departmentRepo; // 依赖注入
private EmployeeRepo employeeRepo; // 依赖注入
public void buildOrganization() {
Department rootDepartment = new Department(ORGANIZATION_ROOT_ID);
buildOrganization(rootDepartment);
}
private void buildOrganization(Department department) {
List subDepartmentIds = departmentRepo.getSubDepartmentIds(department.getId());
for (Long subDepartmentId : subDepartmentIds) {
Department subDepartment = new Department(subDepartmentId);
department.addSubNode(subDepartment);
buildOrganization(subDepartment);
}
List employeeIds = employeeRepo.getDepartmentEmployeeIds(department.getId());
for (Long employeeId : employeeIds) {
double salary = employeeRepo.getEmployeeSalary(employeeId);
department.addSubNode(new Employee(employeeId, salary));
}
}
} 将一组对象（员工和部门）组织成树形结构，以表示一种‘部分 - 整体’的层次结构（部门与子部门的嵌套结构）。组合模式让客户端可以统一单个对象（员工）和组合对象（部门）的处理逻辑（递归遍历）。”
二、组合模式优缺点
优点
- 可以使用相同的方式来处理单个对象和组合对象，客户端无需知道对象的具体类型。
- 可以方便地增加新的组合对象或叶子对象，同时也可以方便地对组合对象进行遍历和操作。
- 可以使代码更加简洁和易于维护，因为使用组合模式可以避免大量的 if-else 或 switch-case 语句。
缺点
- 在组合对象中，可能会包含大量的叶子对象，这可能会导致系统的性能下降。
- 可能会使设计过于抽象化，使得代码难以理解和维护。
总之，组合模式在处理树形结构等层次结构时非常有用，可以方便地处理单个对象和组合对象，使得代码更加简洁和易于维护。
三、重点回顾
组合模式的设计思路，与其说是一种设计模式，倒不如说是对业务场景的一种数据结构和算法的抽象。其中，数据可以表示成树这种数据结构，业务需求可以通过在树上的递归遍历算法来实现。
组合模式，将一组对象组织成树形结构，将单个对象和组合对象都看做树中的节点，以统一处理逻辑，并且它利用树形结构的特点，递归地处理每个子树，依次简化代码实现。使用组合模式的前提在于，你的业务场景必须能够表示成树形结构。所以，组合模式的应用场景也比较局限，它并不是一种很常用的设计模式。
四、源码应用
1、JDK源码
组合模式在 JDK 源码中也有很多应用。以下是一些常见的使用场景：
- Java Collection 框架：在 Java Collection 框架中，Collection 接口就是一个抽象构件，它定义了集合对象的通用接口。List、Set 和 Map 等具体集合类就是组合节点或叶子节点，用于存储和操作集合中的元素。
- Servlet API：在 Servlet API 中，ServletRequest 和 ServletResponse 接口就是一个抽象构件，它定义了 Servlet 的通用接口。HttpServletRequest 和 HttpServletResponse 等具体类就是组合节点或叶子节点，用于处理 Web 请求和响应。
总之，组合模式在 JDK 源码中也有着广泛的应用，可以帮助开发者更加方便地操作各种层次结构。
2、SSM源码
在 SSM（Spring + Spring MVC + MyBatis）框架中，组合模式也有一些应用场景，以下是一些常见的使用场景：
- Spring MVC：在 Spring MVC 中，Controller 就是一个组合节点，它可以包含其他组合对象或叶子对象，用于处理 Web 请求和响应。对于复杂的请求处理逻辑，可以将一个 Controller 分解成多个子 Controller，然后通过组合的方式将它们组合起来，使得请求处理逻辑更加清晰和易于维护。
- MyBatis：在 MyBatis 中，SqlNode 就是一个抽象构件，它定义了 SQL 节点的通用接口。WhereSqlNode、ChooseSqlNode、IfSqlNode 等具体类就是组合节点或叶子节点，用于构建 SQL 语句，解析动态sql。
总之，组合模式可以帮助开发者更加方便地管理和组织各种组件和模块。
文章到这里就结束了，如果有什么疑问的地方，可以在评论区指出~
希望能和大佬们一起努力，诸君顶峰相见
再次感谢各位小伙伴儿们的支持！！！