组合模式
一、什么是组合模式
- 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。
二、模式的结构
组合模式的UML类图如下：
7017386-f0bf4aa2c0cede57.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。
三、典型代码
3.1 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。
3.2 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。
3.3 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。
四 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。
7017386-da4f4c60bf6da588.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：
7017386-2378204a90ddeaf1.png
4.1 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。
7017386-e52dcbc80530bae3.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。
五、优点和缺点
5.1 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。
5.2 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。
六、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。
- 可以表示成树这种数据结构
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。
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。
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。
