设计模式之十二——组合模式

作者: dd299 | 来源:发表于2019-06-30 16:28 被阅读0次

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1 介绍

组合模式属于对象的结构模式，有时又叫做“部分——整体”模式。

1.1 什么是组合模式

将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。

1.2 解决了什么问题

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，客户程序可以向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。

2 原理

合成模式的实现根据所实现接口的区别分为两种形式，分别称为安全式和透明式。

2.1 安全式合成模式的结构

涉及到三个角色：

Component:抽象构件角色。这是一个抽象角色，它给参加组合的对象定义出公共的接口及其默认行为，可以用来管理所有的子对象。合成对象通常把它所包含的子对象当做类型为Component的对象。在安全式的合成模式里，构件角色并不定义出管理子对象的方法，这一定义由树枝构件对象给出。
Leaf：树叶构件角色。树叶对象是没有下级子对象的对象，定义出参加组合的原始对象的行为。
Composite：树枝构件角色。代表参加组合的有下级子对象的对象。树枝构件类给出所有的管理子对象的方法，如add()、remove()以及getChild()。

2.1.1 uml图

安全模式的合成模式

安全模式的合成模式要求管理聚集的方法只出现在树枝构件类中，而不出现在树叶构件类中。

2.1.2 代码示例

Component代码示例


public interface Component {
    /**
     * 输出组件自身的名称
     */
    public void printStruct(String preStr);
}

Leaf代码示例


public class Leaf implements Component {
    /**
     * 叶子对象的名字
     */
    private String name;
    /**
     * 构造方法，传入叶子对象的名称
     * @param name 叶子对象的名字
     */
    public Leaf(String name){
        this.name = name;
    }
    /**
     * 输出叶子对象的结构，叶子对象没有子对象，也就是输出叶子对象的名字
     * @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接的空格，实现向后缩进
     */
    @Override
    public void printStruct(String preStr) {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println(preStr + "-" + name);
    }

}

Composite代码示例


public class Composite implements Component {
    /**
     * 用来存储组合对象中包含的子组件对象
     */
    private List<Component> childComponents = new ArrayList<Component>();
    /**
     * 组合对象的名字
     */
    private String name;
    /**
     * 构造方法，传入组合对象的名字
     * @param name    组合对象的名字
     */
    public Composite(String name){
        this.name = name;
    }
    /**
     * 聚集管理方法，增加一个子构件对象
     * @param child 子构件对象
     */
    public void addChild(Component child){
        childComponents.add(child);
    }
    /**
     * 聚集管理方法，删除一个子构件对象
     * @param index 子构件对象的下标
     */
    public void removeChild(int index){
        childComponents.remove(index);
    }
    /**
     * 聚集管理方法，返回所有子构件对象
     */
    public List<Component> getChild(){
        return childComponents;
    }
    /**
     * 输出对象的自身结构
     * @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接空格，实现向后缩进
     */
    @Override
    public void printStruct(String preStr) {
        // 先把自己输出
        System.out.println(preStr + "+" + this.name);
        //如果还包含有子组件，那么就输出这些子组件对象
        if(this.childComponents != null){
            //添加两个空格，表示向后缩进两个空格
            preStr += "  ";
            //输出当前对象的子对象
            for(Component c : childComponents){
                //递归输出每个子对象
                c.printStruct(preStr);
            }
        }
        
    }

}

调用示例


public class Client {
    public static void main(String[]args){
        Composite root = new Composite("服装");
        Composite c1 = new Composite("男装");
        Composite c2 = new Composite("女装");
        
        Leaf leaf1 = new Leaf("衬衫");
        Leaf leaf2 = new Leaf("夹克");
        Leaf leaf3 = new Leaf("裙子");
        Leaf leaf4 = new Leaf("套装");
        
        root.addChild(c1);
        root.addChild(c2);
        c1.addChild(leaf1);
        c1.addChild(leaf2);
        c2.addChild(leaf3);
        c2.addChild(leaf4);
        
        root.printStruct("");
    }
}

运行结果

2.1.3 优缺点

优点：可以看出，树枝构件类(Composite)给出了addChild()、removeChild()以及getChild()等方法的声明和实现，而树叶构件类则没有给出这些方法的声明或实现。这样的做法是安全的做法，由于这个特点，客户端应用程序不可能错误地调用树叶构件的聚集方法，因为树叶构件没有这些方法，调用会导致编译错误。
安全式合成模式的缺点是不够透明，因为树叶类和树枝类将具有不同的接口。

2.2 透明式合成模式的结构

与安全式的合成模式不同的是，透明式的合成模式要求所有的具体构件类，不论树枝构件还是树叶构件，均符合一个固定接口。

2.2.1 uml图

透明式的合成模式

2.2.2 代码示例

Component代码示例


public abstract class Component {
    /**
     * 输出组建自身的名称
     */
    public abstract void printStruct(String preStr);
    /**
     * 聚集管理方法，增加一个子构件对象
     * @param child 子构件对象
     */
    public void addChild(Component child){
        /**
         * 缺省实现，抛出异常，因为叶子对象没有此功能
         * 或者子组件没有实现这个功能
         */
        throw new UnsupportedOperationException("对象不支持此功能");
    }
    /**
     * 聚集管理方法，删除一个子构件对象
     * @param index 子构件对象的下标
     */
    public void removeChild(int index){
        /**
         * 缺省实现，抛出异常，因为叶子对象没有此功能
         * 或者子组件没有实现这个功能
         */
        throw new UnsupportedOperationException("对象不支持此功能");
    }
    
    /**
     * 聚集管理方法，返回所有子构件对象
     */
    public List<Component> getChild(){
        /**
         * 缺省实现，抛出异常，因为叶子对象没有此功能
         * 或者子组件没有实现这个功能
         */
        throw new UnsupportedOperationException("对象不支持此功能");
    }
}

Composite代码示例


public class Composite extends Component {
    /**
     * 用来存储组合对象中包含的子组件对象
     */
    private List<Component> childComponents = new ArrayList<Component>();
    /**
     * 组合对象的名字
     */
    private String name;
    /**
     * 构造方法，传入组合对象的名字
     * @param name    组合对象的名字
     */
    public Composite(String name){
        this.name = name;
    }
    /**
     * 聚集管理方法，增加一个子构件对象
     * @param child 子构件对象
     */
    public void addChild(Component child){
        childComponents.add(child);
    }
    /**
     * 聚集管理方法，删除一个子构件对象
     * @param index 子构件对象的下标
     */
    public void removeChild(int index){
        childComponents.remove(index);
    }
    /**
     * 聚集管理方法，返回所有子构件对象
     */
    public List<Component> getChild(){
        return childComponents;
    }
    /**
     * 输出对象的自身结构
     * @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接空格，实现向后缩进
     */
    @Override
    public void printStruct(String preStr) {
        // 先把自己输出
        System.out.println(preStr + "+" + this.name);
        //如果还包含有子组件，那么就输出这些子组件对象
        if(this.childComponents != null){
            //添加两个空格，表示向后缩进两个空格
            preStr += "  ";
            //输出当前对象的子对象
            for(Component c : childComponents){
                //递归输出每个子对象
                c.printStruct(preStr);
            }
        }
        
    }

}

Leaf代码示例


public class Leaf extends Component {
    /**
     * 叶子对象的名字
     */
    private String name;
    /**
     * 构造方法，传入叶子对象的名称
     * @param name 叶子对象的名字
     */
    public Leaf(String name){
        this.name = name;
    }
    /**
     * 输出叶子对象的结构，叶子对象没有子对象，也就是输出叶子对象的名字
     * @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接的空格，实现向后缩进
     */
    @Override
    public void printStruct(String preStr) {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println(preStr + "-" + name);
    }

}

调用示例


public class Client {
    public static void main(String[]args){
        Component root = new Composite("服装");
        Component c1 = new Composite("男装");
        Component c2 = new Composite("女装");
        
        Component leaf1 = new Leaf("衬衫");
        Component leaf2 = new Leaf("夹克");
        Component leaf3 = new Leaf("裙子");
        Component leaf4 = new Leaf("套装");
        
        root.addChild(c1);
        root.addChild(c2);
        c1.addChild(leaf1);
        c1.addChild(leaf2);
        c2.addChild(leaf3);
        c2.addChild(leaf4);
        
        root.printStruct("");
    }
}

运行结果

2.2.3 优缺点

优点：可以看出，客户端无需再区分操作的是树枝对象(Composite)还是树叶对象(Leaf)了；对于客户端而言，操作的都是Component对象。

2.3 两种实现方法的选择

这里所说的安全性合成模式是指：从客户端使用合成模式上看是否更安全，如果是安全的，那么就不会有发生误操作的可能，能访问的方法都是被支持的。

这里所说的透明性合成模式是指：从客户端使用合成模式上，是否需要区分到底是“树枝对象”还是“树叶对象”。如果是透明的，那就不用区分，对于客户而言，都是Compoent对象，具体的类型对于客户端而言是透明的，是无须关心的。

对于合成模式而言，在安全性和透明性上，会更看重透明性，毕竟合成模式的目的是：让客户端不再区分操作的是树枝对象还是树叶对象，而是以一个统一的方式来操作。

而且对于安全性的实现，需要区分是树枝对象还是树叶对象。有时候，需要将对象进行类型转换，却发现类型信息丢失了，只好强行转换，这种类型转换必然是不够安全的。

因此在使用合成模式的时候，建议多采用透明性的实现方式。

2.4 优缺点

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。
组合模式的主要缺点如下：
- 使得设计更加复杂，客户端需要花更多时间理清类之间的层次关系。
- 在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。

3 适用场景

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。

4 总结

组合对象的关键在于它定义了一个抽象构建类，它既可表示叶子对象，也可表示容器对象，客户仅仅需要针对这个抽象构建进行编程，无须知道他是叶子对象还是容器对象，都是一致对待。

组合模式虽然能够非常好地处理层次结构，也使得客户端程序变得简单，但是它也使得设计变得更加抽象，而且也很难对容器中的构件类型进行限制，这会导致在增加新的构件时会产生一些问题。

参考书籍及文章
1.《Java与模式》，电子工业出版社，阎宏

《大话设计模式》，清华大学出版社，程杰
《设计模式——可复用面向对象软件的基础》，机械工业出版社，Erich Gamma，Richard Helm，Ralph Johnson，John Vlissides
《Head First 设计模式（中文版）》，中国电力出版社
《图说设计模式》，https://design-patterns.readthedocs.io/zh_CN/latest/index.html
《设计模式 | 组合模式及典型应用
》，https://juejin.im/post/5bb730e96fb9a05d0c37e66b