设计模式之组合模式(Composite)
一、组合模式介绍
组合模式(Composite Pattern) 的定义是:将对象组合成树形结构以表示整个部分的层
次结构。组合模式可以让用户统一对待单个对象和对象的组合。
如在windows操作系统中的目录结构,其实就是树形目录结构,可以通过 tree /f 命令
将目录实现树形结构展示,如下图所示:
在上图中包含了文件夹和文件两类不同元素,其中在文件夹中可以包含文件,还可以继续
包含子文件夹。子文件夹中可以放入文件,也可以放入子文件夹。文件夹形成了一种容器
结构(树形结构),递归结构。如下图所示:
接着我们再来思考虽然文件夹和文件是不同类型的对象,但是他们有一个共性,
就是都可以被放入文件夹中。 其实文件和文件夹可以被当做是同一种对象看待。
组合模式其实就是将一组对象(文件夹和文件)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(文件夹)的处理逻辑(递归遍历)。
组合模式更像是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。
我们很容易将“组合模式”和“组合关系”搞混。组合模式最初只是用于解决树形结构的场景,
更多的是处理对象组织结构之间的问题。而组合关系则是通过将不同对象封装起来完成一
个统一功能。
二、组合模式原理
组合模式结构图如下:
组合模式主要包括三种角色,即:
1)抽象根节点(Component):定义系统各层次对象的共有方法和属性,可以预先
定义一些默认行为和属性。
在该角色中可以包含所有子类共有行为的声明和实现。在抽象根节点中定义了访问
及管理它的子构件的方法,如增加子节点、删除子节点、获取子节点等。
2)树枝节点(Composite):定义树枝节点的行为,存储子节点,组合树枝节点和
叶子节点形成一个树形结构,树枝节点也可以称之为“容器节点或容器对象”。
树枝节点可以包含树枝节点,也可以包含叶子节点,它其中有一个集合可以用于存储
子节点,实现了在抽象根节点中定义的行为。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。
3)叶子节点(Leaf):叶子节点对象,其下再无分支,是系统层次遍历的最小单位。
在组合模式中叶子节点没有子节点,它实现了在抽象根节点中定义的行为。
组合模式用代码表示,代码如下:
/*******************************************************
* 抽象根节点
* 对客户端而言,只需要针对抽象编程,无需关心具体子类实现
* 抽象根节点可以是抽象类或接口
*
* @author lbf
*******************************************************/
public abstract class Component {
//增加成员
public abstract void add(Component c);
//删除成员
public abstract void remove(Component c);
//获取成员
public abstract Component getChild(int i);
//业务方法
public abstract void operation();
}
/*******************************************************
* 树枝节点
* 容器对象,即可以包含子节点,也可以包含叶子节点
*
* @author lbf
*******************************************************/
public class Composite extends Component{
//集合,保存子节点数据
private ArrayList<Component> 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 (Component) list.get(i);
}
@Override
public void operation() {
//在树枝节点中的业务方法,将递归调用其他节点中的operation() 方法
for (Component component : list) {
component.operation();
}
}
}
/*******************************************************
* 叶子节点
* 叶子节点不能包含具体子节点
*
* @author lbf
*
*******************************************************/
public class Leaf extends Component{
@Override
public void add(Component c) {
//具体操作
}
@Override
public void remove(Component c) {
//具体操作
}
@Override
public Component getChild(int i) {
//具体操作
return new Leaf();
}
@Override
public void operation() {
//叶子节点具体业务方法
}
}
三、组合模式应用示例
以列出某一目录下所有的文件和文件夹为例来看下组合模式的使用,
实现类图如下:
示例代码:
/*******************************************************
* 以列出某一目录下所有的文件和文件夹为例来看下组合模式的使用
* Entry--抽象类
*
* @author lbf
*******************************************************/
public abstract class Entry {
//获取文件名
public abstract String getName();
//获取文件大小
public abstract int getSize();
//添加文件夹或文件
public abstract Entry add(Entry entry);
//显示指定目录下的所有信息
public abstract void printList(String prefix);
@Override
public String toString() {
return getName() + "(" +getSize() + ")";
}
}
/*******************************************************
* 文件类
* 叶子节点
*
* @author lbf
*******************************************************/
public class File extends Entry{
private String name; //文件名
private int size; //文件大小
public File(String name, int size) {
this.name = name;
this.size = size;
}
@Override
public String getName() {
return name;
}
@Override
public int getSize() {
return size;
}
@Override
public Entry add(Entry entry) {
return null;
}
@Override
public void printList(String prefix) {
System.out.println(prefix + "/" + this);
}
}
/*******************************************************
* 文件夹类
* 树枝节点
*
* @author lbf
*******************************************************/
public class Directory extends Entry{
//文件的名字
private String name;
//文件夹与文件的集合
private ArrayList<Entry> directory = new ArrayList();
//构造函数
public Directory(String name) {
this.name = name;
}
//获取文件名称
@Override
public String getName() {
return this.name;
}
/**
* 获取文件大小
* 1.如果entry对象是File类型,则调用getSize方法获取文件大小
* 2.如果entry对象是Directory类型,会继续调用子文件夹的getSize方法,形成递归调用.
*/
@Override
public int getSize() {
int size = 0;
//遍历或者去文件大小
for (Entry entry : directory) {
size += entry.getSize();
}
return size;
}
@Override
public Entry add(Entry entry) {
directory.add(entry);
return this;
}
//显示目录
@Override
public void printList(String prefix) {
System.out.println("/" + this);
for (Entry entry : directory) {
entry.printList("/" + name);
}
}
}
//测试
public class Test {
public static void main(String[] args) {
//根节点
Directory rootDir = new Directory("root");
//树枝节点
Directory binDir = new Directory("bin");
//向bin目录中添加叶子节点
binDir.add(new File("vi",10000));
binDir.add(new File("test",20000));
Directory tmpDir = new Directory("tmp");
Directory usrDir = new Directory("usr");
Directory mysqlDir = new Directory("mysql");
mysqlDir.add(new File("my.cnf",30));
mysqlDir.add(new File("test.db",25000));
usrDir.add(mysqlDir);
rootDir.add(binDir);
rootDir.add(tmpDir);
rootDir.add(mysqlDir);
rootDir.printList("");
}
}
四、组合模式总结
1、组合模式分类
1)透明组合模式
透明组合模式中,抽象根节点角色中声明了所有用于管理成员对象的方法,比如在示
例中 `Component` 声明了 `add`、`remove` 、`getChild` 方法,这样做的好处是确保
所有的构件类都有相同的接口。透明组合模式也是组合模式的标准形式。
透明组合模式的缺点是不够安全,因为叶子对象和容器对象在本质上是有区别的,叶
子对象不可能有下一个层次的对象,即不可能包含成员对象,因此为其提供 add()、
remove() 等方法是没有意义的,这在编译阶段不会出错,但在运行阶段如果调用这些
方法可能会出错(如果没有提供相应的错误处理代码)
透明组合模式结构图如下:
2)安全组合模式
在安全组合模式中,在抽象构件角色中没有声明任何用于管理成员对象的方法,而是
在树枝节点类中声明并实现这些方法。安全组合模式的缺点是不够透明,因为叶子构件
和容器构件具有不同的方法,且容器构件中那些用于管理成员对象的方法没有在抽象构件
类中定义,因此客户端不能完全针对抽象编程,必须有区别地对待叶子构件和容器构件。
安全组合模式结构图如下:
2、组合模式优点
1)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。
2)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。
3)在组合模式中增加新的树枝节点和叶子节点都很方便,无须对现有类库进行任何修改,
符合“开闭原则”。
4)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,通过叶子节点和树枝
节点的递归组合,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。
3、组合模式缺点
1)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。
4、组合模式适用场景
1)处理一个树形结构,比如,公司人员组织架构、订单信息等;
2)跨越多个层次结构聚合数据,比如,统计文件夹下文件总数;
3)统一处理一个结构中的多个对象,比如,遍历文件夹下所有 XML 类型文件内容。