设计模式之组合模式

组合模式：

　　我们知道古代的皇帝想要管理国家，是不可能直接管理到具体每一个老百姓的，因此设置了很多机构，比如说三省六部，这些机构下面又有很多小的组织。他们共同管理着这个国家。再比如说，一个大公司，下面有很多小的部门，每一个部门下面又有很多个部门。说到底这就是组合模式。组合模式(Composite Pattern) 也称为整体-部分(Part-Whole) 模式， 它的宗旨是通过将单个对象(叶子节点)和组合对象(树枝节点)用相同的接口进行表示，使得客户对单个对象和组合对象的使用具有一致性，属于结构型模式。

　　将对象组合成树形站构以表示“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。

组合关系与聚合关系的区别：

• 组合关系：在古代皇帝三宫六院，贵妃很多，但是每一个贵妃只属于皇帝(具有相同的生命周期)。
• 聚合关系：一个老师有很多学生，但是每一个学生又属于多个老师(具有不同的生命周期)。

　　组合模式一般用来描述整体与部分的关系，它将对象组织到树形结构中，最顶层的节点称为根节点，根节点下面可以包含树枝节点和叶子节点，树枝节点下面又可以包含树枝节点和叶子节点。如下图所示：

　　由上图可以看出，其实根节点和树枝节点本质上是同一种数据类型，可以作为容器使用；而叶子节点与树枝节点在语义上不属于同一种类型，但是在组合模式中，会把树枝节点和叶子节点认为是同一种数据类型(用同一接口定义)，让它们具备一致行为。这样，在组合模式中，整个树形结构中的对象都是同一种类型，带来的一个好处就是客户无需辨别树枝节点还是叶子节点，而是可以直接进行操作，给客户使用带来极大的便利。

组合模式包含3个角色：

• 抽象根节点(Component) ：定义系统各层次对象的共有方法和属性， 可以预先定义一些默认行为和属性；
• 树枝节点(Composite) ：定义树枝节点的行为， 存储子节点， 组合树枝节点和叶子节点形成一个树形结构；
• 叶子节点(Leaf) ：叶子节点对象， 其下再无分支， 是系统层次遍历的最小单位。

　　组合模式在代码具体实现上，有两种不同的方式，分别是透明组合模式和安全组合模式。

组合模式的应用场景：

　　当子系统与其内各个对象层次呈现树形结构时，可以使用组合模式让子系统内各个对象层次的行为操作具备一致性。客户端使用该子系统内任意一个层次对象时，无须进行区分，直接使用通用操作即可，为客户端的使用带来了便捷。先对组合模式主要总结为以下应用场景：

• 希望客户端可以忽略组合对象与单个对象的差异时；
• 对象层次具备整体和部分，呈树形结构。

　　在我们生活中的组合模式也非常常见，比如树形菜单，操作系统目录结构，公司组织架构等。

透明组合模式的写法：

　　透明组合模式是把所有公共方法都定义在Component中， 这样做的好处是客户端无需分辨是叶子节点(Leaf) 和树枝节点(Composite) ， 它们具备完全一致的接口。

　　来看一个例子， 还是以编程的课程为例。我们来设计一个课程的关系结构。比如我们有Java入门课程、人工智能课程、Java设计模式、源码分析、软技能等， 而Java设计模式、源码分析、软技能又属于Java架构师系列课程包， 每个课程的定价都不一样。但是， 这些课程不论怎么组合， 都有一些共性，而且是整体和部分的关系，可以用组合模式来设计。先创建一个顶层的抽象组件 CourseComponent：

public abstract class CourseComponent {

    public void addChild(CourseComponent catalogComponent) {
        throw new UnsupportedOperationException("不支持添加操作");
    }

    public void removeChild(CourseComponent catalogComponent) {
        throw new UnsupportedOperationException("不支持删除操作");
    }


    public String getName(CourseComponent catalogComponent) {
        throw new UnsupportedOperationException("不支持获取名称操作");
    }


    public double getPrice(CourseComponent catalogComponent) {
        throw new UnsupportedOperationException("不支持获取价格操作");
    }


    public void print() {
        throw new UnsupportedOperationException("不支持打印操作");
    }

}

　　把所有可能用到的方法都定义到这个最顶层的抽象类中，但是不写任何逻辑处理的代码，而是直接抛异常。这里，有些小伙伴会有疑惑，为什么不用抽象方法?因为，用了抽象方法，其子类就必须实现，这样便体现不出各子类的细微差异。因此，子类继承此抽象类后，只需要重写有差异的方法覆盖父类的方法即可。下面我们分别创建课程类Course和课程包Course Package类。先创建Course类：

public class Course extends CourseComponent {
    private String name;
    private double price;

    public Course(String name, double price) {
        this.name = name;
        this.price = price;
    }

    @Override
    public String getName(CourseComponent catalogComponent) {
        return this.name;
    }

    @Override
    public double getPrice(CourseComponent catalogComponent) {
        return this.price;
    }

    @Override
    public void print() {
        System.out.println(name + " (￥" + price + "元)");
    }

}

　　再创建CoursePackage 类:

public class CoursePackage extends CourseComponent {
    private List<CourseComponent> items = new ArrayList<CourseComponent>();
    private String name;
    private Integer level;


    public CoursePackage(String name, Integer level) {
        this.name = name;
        this.level = level;
    }

    @Override
    public void addChild(CourseComponent catalogComponent) {
        items.add(catalogComponent);
    }

    @Override
    public String getName(CourseComponent catalogComponent) {
        return this.name;
    }

    @Override
    public void removeChild(CourseComponent catalogComponent) {
        items.remove(catalogComponent);
    }

    @Override
    public void print() {
        System.out.println(this.name);

        for (CourseComponent catalogComponent : items) {
            //控制显示格式
            if (this.level != null) {
                for (int i = 0; i < this.level; i++) {
                    //打印空格控制格式
                    System.out.print("  ");
                }
                for (int i = 0; i < this.level; i++) {
                    //每一行开始打印一个+号
                    if (i == 0) {
                        System.out.print("+");
                    }
                    System.out.print("-");
                }
            }
            //打印标题
            catalogComponent.print();
        }
    }
}

　　测试：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("============透明组合模式===========");

        CourseComponent javaBase = new Course("Java入门课程",8280);
        CourseComponent ai = new Course("人工智能",5000);

        CourseComponent packageCourse = new CoursePackage("Java架构师课程",2);

        CourseComponent design = new Course("Java设计模式",1500);
        CourseComponent source = new Course("源码分析",2000);
        CourseComponent softSkill = new Course("软技能",3000);

        packageCourse.addChild(design);
        packageCourse.addChild(source);
        packageCourse.addChild(softSkill);

        CourseComponent catalog = new CoursePackage("课程主目录",1);
        catalog.addChild(javaBase);
        catalog.addChild(ai);
        catalog.addChild(packageCourse);

        catalog.print();
    }
}

　　透明组合模式把所有公共方法都定义在Component中， 这样做的好处是客户端无需分辨是叶子节点(Leaf) 和树枝节点(Composite) ， 它们具备完全一致的接口； 缺点是叶子节点(Leaf) 会继承得到一些它所不需要(管理子类操作的方法)的方法，这与设计模式接口隔离原则相违背。下面我们来看安全组合模式的写法。

安全组合模式的写法：

　　安全组合模式是只规定系统各个层次的最基础的一致行为，而把组合(树节点)本身的方法(管理子类对象的添加， 删除等) 放到自身当中。

　　再举一个程序员更熟悉的例子。对于程序员来说，电脑是每天都要接触的。电脑的文件系统其实就是一个典型的树形结构，目录包含文件夹和文件，文件夹里面又可以包含文件夹和文件。下面我们就用代码来实现一个目录系统。文件系统有两个大的层次：文件夹，文件。其中，文件夹能容纳其他层次，为树枝节点；文件为最小单位，为叶子节点。由于目录系统层次较少，且树枝节点(文件夹)结构相对稳定，而文件其实可以有很多类型，所以这里我们选择使用安全组合模式来实现目录系统，可以避免为叶子类型(文件)引入冗余方法。先创建最顶层的抽象组件Directory类：

public abstract class Directory {

    protected String name;

    public Directory(String name) {
        this.name = name;
    }

    public abstract void show();

}

　　然后分别创建File类和Folder类：

public class File extends Directory {

    public File(String name) {
        super(name);
    }

    @Override
    public void show() {
        System.out.println(this.name);
    }

}
public class Folder extends Directory {
    private List<Directory> dirs;

    private Integer level;

    public Folder(String name, Integer level) {
        super(name);
        this.level = level;
        this.dirs = new ArrayList<Directory>();
    }

    @Override
    public void show() {
        System.out.println(this.name);
        for (Directory dir : this.dirs) {
            //控制显示格式
            if (this.level != null) {
                for (int i = 0; i < this.level; i++) {
                    //打印空格控制格式
                    System.out.print("  ");
                }
                for (int i = 0; i < this.level; i++) {
                    //每一行开始打印一个+号
                    if (i == 0) {
                        System.out.print("+");
                    }
                    System.out.print("-");
                }
            }
            //打印名称
            dir.show();
        }
    }

    public boolean add(Directory dir) {
        return this.dirs.add(dir);
    }

    public boolean remove(Directory dir) {
        return this.dirs.remove(dir);
    }

    public Directory get(int index) {
        return this.dirs.get(index);
    }

    public void list() {
        for (Directory dir : this.dirs) {
            System.out.println(dir.name);
        }
    }
}

　　测试：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("============安全组合模式===========");

        File qq = new File("QQ.exe");
        File wx = new File("微信.exe");

        Folder office = new Folder("办公软件",2);

        File word = new File("Word.exe");
        File ppt = new File("PowerPoint.exe");
        File excel = new File("Excel.exe");

        office.add(word);
        office.add(ppt);
        office.add(excel);

        Folder wps = new Folder("金山软件",3);
        wps.add(new File("WPS.exe"));
        office.add(wps);

        Folder root = new Folder("根目录",1);
        root.add(qq);
        root.add(wx);
        root.add(office);

        System.out.println("----------show()方法效果-----------");
        root.show();

        System.out.println("----------list()方法效果-----------");
        root.list();
    }
}

　　安全组合模式的好处是接口定义职责清晰，符合设计模式单一职责原则和接口隔离原则；缺点是客户需要区分树枝节点(Composite) 和叶子节点(Leaf) ， 这样才能正确处理各个层次的操作， 客户端无法依赖抽象(Component) ， 违背了设计模式依赖倒置原则。

组合模式的优缺点：

　　很多小伙伴肯定还有个疑问，既然组合模式会被分为两种实现，那么肯定是不同的场合某一种会更加适合， 也即具体情况具体分析。透明组合模式将公共接口封装到抽象根节点(Component) 中， 那么系统所有节点就具备一致行为，所以如果当系统绝大多数层次具备相同的公共行为时，采用透明组合模式也许会更好(代价：为剩下少数层次节点引入不需要的方法)；而如果当系统各个层次差异性行为较多或者树节点层次相对稳定(健壮)时，采用安全组合模式。

优点：

• 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
• 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
• 简化客户端代码

缺点：

• 限制类型时会较为复杂
• 使设计变得更加抽象

　　注：设计模式的出现并不是说我们要写的代码一定要埋设计模式所要求的方方面画，这是不现实同时也是不可能的。设计模式的出现，其实只是强调好的代码所具备的一些特征(六大设计原则)，这些特征对于项目开发是具备积极效应的，但不是说我们每实现一个类就一定要全部满足设计模式的要求，如果真的存在完全满足设计模式的要求，反而可能存在过度设计的嫌疑。同时，23种设计模式，其实都是严格依循设计模式六大原则进行设计，只是不同的模式在不同的场景中会更加造用。设计模式的理解应该重于意而不是形，真正编码时，经常使用的是某种设计模式的变形体，真正切合项目的模式才是正确的模式.