设计模式系列20—组合模式

1 组合模式的定义与特点

在现实生活中,存在很多“部分-整体”的关系,例如,大学中的部门与学院、总公司中的部门与分公司、学习用品中的书与书包、生活用品中的衣服与衣柜以及厨房中的锅碗瓢盆等。在软件开发中也是这样,例如,文件系统中的文件与文件夹、窗体程序中的简单控件与容器控件等。对这些简单对象与复合对象的处理,如果用组合模式来实现会很方便。

1.1 定义

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

1.2 结构

组合模式的结构不是很复杂,下面对它的结构和实现进行分析,组合模式包含以下主要角色。

  • 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。
  • 树叶构件(Leaf)角色:是组合中的叶节点对象,它没有子节点,用于实现抽象构件角色中 声明的公共接口。
  • 树枝构件(Composite)角色:是组合中的分支节点对象,它有子节点。它实现了抽象构件角色中声明的接口,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。

组合模式分为透明式的组合模式和安全式的组合模式。

(1) 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。其结构图如图所示。
image.png

(2) 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。其结构图如图所示。
image.png

2 组合模式的优缺点

2.1 优点

组合模式的主要优点有:

  • 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;
  • 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”;

2.2 缺点

其主要缺点是:

  • 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;
  • 不容易限制容器中的构件;
  • 不容易用继承的方法来增加构件的新功能;

3 组合模式的使用场景

前面分析了组合模式的结构与特点,下面分析它适用的以下应用场景。

  • 在需要表示一个对象整体与部分的层次结构的场合。
  • 要求对用户隐藏组合对象与单个对象的不同,用户可以用统一的接口使用组合结构中的所有对象的场合。

总结:
组合模式解耦了客户程序与复杂元素内部结构,从而使客户程序可以像处理简单元素一样来处理复杂元素。

如果你想要创建层次结构,并可以在其中以相同的方式对待所有元素,那么组合模式就是最理想的选择。本章使用了一个文件

系统的例子来举例说明了组合模式的用途。在这个例子中,文件和目录都执行相同的接口,这是组合模式的关键。通过执行相同的接口,你就可以用相同的方式对待文件和目录,从而实现将文件或者目录储存为目录的子级元素。

4 组合模式的实现

假如要访问集合 c0={leaf1,{leaf2,leaf3}} 中的元素,其对应的树状图如图所示。
image.png

下面给出透明式的组合模式的实现代码,与安全式的组合模式的实现代码类似,只要对其做简单修改就可以了。

package composite;
import java.util.ArrayList;
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<Component> children=new ArrayList<Component>();   
    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();
        }
    }    
}

程序运行结果如下:

树叶1:被访问!
树叶2:被访问!
树叶3:被访问!

5 组合模式常见问题

5.1 组合模式的扩展

如果对前面介绍的组合模式中的树叶节点和树枝节点进行抽象,也就是说树叶节点和树枝节点还有子节点,这时组合模式就扩展成复杂的组合模式了,如 Java AWT/Swing 中的简单组件 JTextComponent 有子类 JTextField、JTextArea,容器组件 Container 也有子类 Window、Panel。复杂的组合模式的结构图如图所示。
image.png

更新时间:2020-09-04 10:00:03

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最后更新:2020-09-04 10:00:03

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