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23种设计模式之组合模式

模式设计模式 组合 23
2023-06-13 09:11:06 时间

概述

组合（Composite Pattern）模式的定义：有时又叫作整体-部分（Part-Whole）模式，它是一种将对象组合成树状的层次结构的模式，用来表示“整体-部分”的关系，使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性，属于结构型设计模式。

它在我们树型结构的问题中，模糊了简单元素和复杂元素的概念，客户程序可以像处理简单元素一样来处理复杂元素，从而使得客户程序与复杂元素的内部结构解耦。

组合模式一般用来描述整体与部分的关系，它将对象组织到树形结构中，顶层的节点被称为根节点，根节点下面可以包含树枝节点和叶子节点，树枝节点下面又可以包含树枝节点和叶子节点，树形结构图如下。

由上图可以看出，其实根节点和树枝节点本质上属于同一种数据类型，可以作为容器使用；而叶子节点与树枝节点在语义上不属于用一种类型。但是在组合模式中，会把树枝节点和叶子节点看作属于同一种数据类型（用统一接口定义），让它们具备一致行为。

这样，在组合模式中，整个树形结构中的对象都属于同一种类型，带来的好处就是用户不需要辨别是树枝节点还是叶子节点，可以直接进行操作，给用户的使用带来极大的便利。

组合模式优缺点

组合模式的主要优点有：

  1. 组合模式使得客户端代码可以一致地处理单个对象和组合对象，无须关心自己处理的是单个对象，还是组合对象，这简化了客户端代码；
  2. 更容易在组合体内加入新的对象，客户端不会因为加入了新的对象而更改源代码，满足“开闭原则”；

其主要缺点是：

  1. 设计较复杂，客户端需要花更多时间理清类之间的层次关系；
  2. 不容易限制容器中的构件；
  3. 不容易用继承的方法来增加构件的新功能；

组合模式的结构和实现

组合模式的结构

组合模式包含以下主要角色。

  1. 抽象构件（Component）角色：它的主要作用是为树叶构件和树枝构件声明公共接口，并实现它们的默认行为。在透明式的组合模式中抽象构件还声明访问和管理子类的接口；在安全式的组合模式中不声明访问和管理子类的接口，管理工作由树枝构件完成。（总的抽象类或接口，定义一些通用的方法，比如新增、删除）
  2. 树叶构件（Leaf）角色：是组合中的叶节点对象，它没有子节点，用于继承或实现抽象构件。
  3. 树枝构件（Composite）角色 / 中间构件：是组合中的分支节点对象，它有子节点，用于继承和实现抽象构件。它的主要作用是存储和管理子部件，通常包含 Add()、Remove()、GetChild() 等方法。

组合模式的分类

组合模式分为透明式的组合模式和安全式的组合模式。

透明方式

在该方式中，由于抽象构件声明了所有子类中的全部方法，所以客户端无须区别树叶对象和树枝对象，对客户端来说是透明的。

但其缺点是：树叶构件本来没有 Add()、Remove() 及 GetChild() 方法，却要实现它们（空实现或抛异常），这样会带来一些安全性问题。

安全方式

在该方式中，将管理子构件的方法移到树枝构件中，抽象构件和树叶构件没有对子对象的管理方法，这样就避免了上一种方式的安全性问题。

但由于叶子和分支有不同的接口，客户端在调用时要知道树叶对象和树枝对象的存在，所以失去了透明性。

模式的实现

假如要访问集合 c0={leaf1,{leaf2,leaf3}} 中的元素

透明组合模式

public class CompositePattern {
    public static void main(String[] args) {
        Component c0 = new Composite();
        Component c1 = new Composite();
        Component leaf1 = new Leaf("1");
        Component leaf2 = new Leaf("2");
        Component leaf3 = new Leaf("3");
        c0.add(leaf1);
        c0.add(c1);
        c1.add(leaf2);
        c1.add(leaf3);
        c0.operation();
    }
}
//抽象构件
interface Component {
    public void add(Component c);
    public void remove(Component c);
    public Component getChild(int i);
    public void operation();
}
//树叶构件
class Leaf implements Component {
    private String name;
    public Leaf(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void add(Component c) {
    }
    public void remove(Component c) {
    }
    public Component getChild(int i) {
        return null;
    }
    public void operation() {
        System.out.println("树叶" + name + "：被访问！");
    }
}
//树枝构件
class Composite implements Component {
    private ArrayList children = new ArrayList();
    public void add(Component c) {
        children.add(c);
    }
    public void remove(Component c) {
        children.remove(c);
    }
    public Component getChild(int i) {
        return children.get(i);
    }
    public void operation() {
        for (Object obj : children) {
            ((Component) obj).operation();
        }
    }
}

结果如下：

树叶1：被访问！
树叶2：被访问！
树叶3：被访问！

安全组合模式

安全式的组合模式与透明式组合模式的实现代码类似，只要对其做简单修改就可以了，代码如下。

首先修改 Component 代码，只保留层次的公共行为。

interface Component {
    public void operation();
}

然后修改客户端代码，将树枝构件类型更改为 Composite 类型，以便获取管理子类操作的方法。

public class CompositePattern {
    public static void main(String[] args) {
        Composite c0 = new Composite();
        Composite c1 = new Composite();
        Component leaf1 = new Leaf("1");
        Component leaf2 = new Leaf("2");
        Component leaf3 = new Leaf("3");
        c0.add(leaf1);
        c0.add(c1);
        c1.add(leaf2);
        c1.add(leaf3);
        c0.operation();
    }
}

总结

优点： 1、高层模块调用简单。 2、节点自由增加。

缺点： 在使用组合模式时，其叶子和树枝的声明都是实现类，而不是接口，违反了依赖倒置原则。

使用场景： 部分、整体场景，如树形菜单，文件、文件夹的管理。

注意事项： 定义时为具体类。

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