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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<Component> list = new ArrayList<Component>();
@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<MusicFile> musicList = new ArrayList<MusicFile>();
//视频
private List<VideoFile> videoList = new ArrayList<VideoFile>();
//图片
private List<ImageFile> imageList = new ArrayList<ImageFile>();
//文件夹
private List<Folder> folderList = new ArrayList<Folder>();
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<AbstractFile> files = new ArrayList<AbstractFile>();
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）。
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