组合模式理解剖析以及应用

组合模式

组合模式（Composite Pattern），有时又叫作整体-部分（Part-Whole）模式，是用于把一组相似的对象当作一个单一的对象。
组合模式依据树形结构来组合对象，用来表示部分以及整体层次。
这种类型的设计模式属于结构型模式，它创建了对象组的树形结构。
这种模式创建了一个包含自己对象组的类。该类提供了修改相同对象组的方式。

意图

将对象组合成树形结构以表示”部分-整体”的层次结构。组合模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。

解决问题

它在我们树型结构的问题中，模糊了简单元素和复杂元素的概念，客户程序可以像处理简单元素一样来处理复杂元素，从而使得客户程序与复杂元素的内部结构解耦。

何时使用？

您想表示对象的部分-整体层次结构（树形结构）。
您希望用户忽略组合对象与单个对象的不同，用户将统一地使用组合结构中的所有对象。

应用环境举例

算术表达式包括操作数、操作符和另一个操作数，其中，另一个操作数也可以是操作数、操作符和另一个操作数。
在 JAVA AWT 和 SWING 中，对于 Button 和 Checkbox 是树叶，Container 是树枝。
部分、整体场景，如树形菜单，文件、文件夹的管理。

优点

高层模块调用简单。
节点自由增加。
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”；

缺点

在使用组合模式时，其叶子和树枝的声明都是实现类，而不是接口，违反了依赖倒置原则
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

类图

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。
  （总的抽象类或接口，定义一些通用的方法，比如新增、删除）
树叶构件（Leaf）角色：
是组合中的叶节点对象，它没有子节点，用于继承或实现抽象构件。
树枝构件（Composite）角色 / 中间构件：
是组合中的分支节点对象，它有子节点，用于继承和实现抽象构件。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。

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。

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。

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。

透明组合模式

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 {
    //成员
    private String name;
    public Leaf(String name) {
        this.name = name;
    }
    //实现接口方法
    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

import java.util.ArrayList;

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();
        }
    }
}

测试

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(c1);
        c0.add(leaf1);
        c1.add(leaf2);
        c1.add(leaf3);
        c0.operation();
    }
}

结果：

1
2
3

树叶1：被访问！
树叶2：被访问！
树叶3：被访问！

安全组合模式

安全式的组合模式与透明式组合模式的实现代码类似，抽象构件只保留层次的公共行为。

抽象构件

interface Component {
    //只保留层次的公共行为。
    public void operation();
}

树叶构件

class Leaf implements Component {
    //成员
    private String name;
    public Leaf(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void operation() {
        System.out.println("树叶" + name + "：被访问！");
    }
}

树枝构件

import java.util.ArrayList;

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();
        }
    }
}

测试

public class CompositePattern {
    public static void main(String[] args) {
        //将树枝构件类型更改为 Composite 类型，以便获取管理子类操作的方法。
        Composite c0 = new Composite();
        Composite c1 = new Composite();
        //树叶构件还是 Component 类型
        Component leaf1 = new Leaf("1");
        Component leaf2 = new Leaf("2");
        Component leaf3 = new Leaf("3");
        c0.add(c1);
        c0.add(leaf1);
        c1.add(leaf2);
        c1.add(leaf3);
        c0.operation();
    }
}

实例

我们有一个类 Employee，该类被当作组合模型类。 CompositePatternDemo 类使用 Employee 类来添加部门层次结构，并打印所有员工

创建 Employee 类，该类带有 Employee 对象的列表。
Employee.java

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
 
public class Employee {
   private String name;
   private String dept;
   private int salary;
   private List<Employee> subordinates;
 
   //构造函数
   public Employee(String name,String dept, int sal) {
      this.name = name;
      this.dept = dept;
      this.salary = sal;
      subordinates = new ArrayList<Employee>();
   }
 
   public void add(Employee e) {
      subordinates.add(e);
   }
 
   public void remove(Employee e) {
      subordinates.remove(e);
   }
 
   public List<Employee> getSubordinates(){
     return subordinates;
   }
 
   public String toString(){
      return ("Employee :[ Name : "+ name +", dept : "+ dept + ", salary :"+ salary+" ]");
   }   
}

使用 Employee 类来创建和打印员工的层次结构。

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

      Employee CEO = new Employee("John","CEO", 30000);

      Employee headSales = new Employee("Robert","Head Sales", 20000);
      Employee headMarketing = new Employee("Michel","Head Marketing", 20000);

      Employee clerk1 = new Employee("Laura","Marketing", 10000);
      Employee clerk2 = new Employee("Bob","Marketing", 10000);
 
      Employee salesExecutive1 = new Employee("Richard","Sales", 10000);
      Employee salesExecutive2 = new Employee("Rob","Sales", 10000);
 
 
      CEO.add(headSales);
      CEO.add(headMarketing);

      headSales.add(salesExecutive1);
      headSales.add(salesExecutive2);
 
      headMarketing.add(clerk1);
      headMarketing.add(clerk2);
 
      //打印该组织的所有员工
      System.out.println(CEO); 
      for (Employee headEmployee : CEO.getSubordinates()) {
         System.out.println(headEmployee);
         for (Employee employee : headEmployee.getSubordinates()) {
            System.out.println(employee);
         }
      }        
   }
}

结果：

Employee :[ Name : John, dept : CEO, salary :30000 ]
Employee :[ Name : Robert, dept : Head Sales, salary :20000 ]
Employee :[ Name : Richard, dept : Sales, salary :10000 ]
Employee :[ Name : Rob, dept : Sales, salary :10000 ]
Employee :[ Name : Michel, dept : Head Marketing, salary :20000 ]
Employee :[ Name : Laura, dept : Marketing, salary :10000 ]
Employee :[ Name : Bob, dept : Marketing, salary :10000 ]

洛玖随笔

【设计模式】Composite Pattern 组合模式