设计模式 - 组合模式

站在风口的猪猪侠
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概念

组合模式（Composite Pattern）：组合多个对象形成树形结构以表示具有“部分—整体”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，又可以称为“部分—整体”（Part-Whole）模式，它是一种对象结构型模式。

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。
  • Leaf（叶子构件）：它在组合模式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，可以通过捕获异常等方式进行处理。
  • Composite（容器构件）：它在组合模式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。

image.png

实例代码

以文件系统为例，文件简单分为2类，一个是文件夹Folder，一个具体文件LeafFile（例如文本文件、可执行文件等）。其中文件夹又可以包含若干个具体文件。抽象一个文件父类File，让文件夹和具体文件继承抽象父类。对于File中包含的增加、删除和获取子文件只对Folde有效，LeafFile需要通过捕获异常等方式进行处理这几个方法。

// 文件抽象类
abstract class File {
    public abstract void add(File f); // 增加成员
    public abstract void remove(File f); // 删除成员
    public abstract File getChild(int i); // 获取成员
    public abstract void operation(); // 业务方法
}

// 文件具体子类：文件夹类
class Folder extends File {
    private ArrayList<File> list = new ArrayList<>();
    public void add(File f) {
        list.add(f);
    }
    public void remove(File f) {
        list.remove(f);
    }
    public File getChild(int i) {
        return (File) list.get(i);
    }
    public void operation() {
        // 具体业务
        for (File f: list) {
            f.operation();
        }
    }
}

// 具体文件
class LeafFile extends File {
    public void add(File f) {
        // 异常处理或错误提示
    }

    public void remove(File f) {
        // 异常处理或错误提示
    }

    public File getChild(int i) {
        // 异常处理或错误提示
        return null;
    }

    public void operation() {
        // 具体文件业务方法实现
    }
}

透明组合模式与安全组合模式

透明组合模式

概念文件系统的案例就是透明组合模式，抽象文件File中声明了所有用于管理成员对象的方法，包括add（）、remove（）以及getChild（）等方法，这样做的好处是确保所有的构件类都有相同的接口。

1652521703(1).png 上面案例中，具体文件LeafFile只有一种，如果扩展开来可以细分为文本文件、图片文件等，这样每个具体文件都需要去处理add（）、remove（）以及getChild（）方法的异常。针对这种情况，可以直接在抽象类File中统一处理add（）、remove（）以及getChild（）等访问及管理子构件的方法异常。

abstract class File {
    public void add(File f) {
        // 异常处理或错误提示
    }

    public void remove(File f) {
        // 异常处理或错误提示
    }

    public File getChild(int i) {
        // 异常处理或错误提示
        return null;
    }
    public abstract void operation(); // 业务方法
}

对于文件夹Folder子类再覆盖其中add（）、remove（）以及getChild（）方法即可。 透明组合模式总会存在一个问题：具体叶子类中add（）、remove（）以及getChild（）方法是没有意义的。

安全组合模式

将抽象父类中的访问及管理子构件的方法放到对应的子类中去。

abstract class File {
    public abstract void operation(); // 业务方法
}

// 文件具体子类：文件夹类
class Folder extends File {
    private ArrayList<File> list = new ArrayList<>();
    public void add(File f) {
        list.add(f);
    }
    public void remove(File f) {
        list.remove(f);
    }
    public File getChild(int i) {
        return (File) list.get(i);
    }
    public void operation() {
        // 具体业务
        for (File f: list) {
            f.operation();
        }
    }
}

1652522399.png 这样做也存在一个问题：在客户端必须使用Folder类生命构建对象，否者无法调用add（）、remove（）等方法。

问题记录

  • 在组合模式结构图中，如果聚合关联关系不是从Composite到Component的，而是从Composite到Leaf的，会产生怎样的结果？ 如果聚合关联关系是从Composite到Leaf，对应文件的案例，就意味着文件夹下只能是具体文件，不能嵌套文件夹。

总结

优点

  • 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。
  • 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

缺点

  • 在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。有时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。

参考资料

[1] 刘伟. 设计模式的艺术[M]. 清华大学出版社, 2020.

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