初识设计模式 - 组合模式

简介

组合模式就是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（叶子对象）和组合对象（容器对象）的使用具有一致性。

组合模式的关键是定义一个抽象构件类，它既可以代表叶子，也可以代表容器。客户端针对该抽象构件进行编程，无需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。

具体实现

对于组合模式的抽象构件角色，其代码示例如下：

public abstract class Component {
    // 增加成员
    public abstract void add(Component c);

    // 删除成员
    public abstract void remove(Component c);

    // 获取成员
    public abstract Component getChild(int i);

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

如果继承抽象构件类的是叶子构件，其代码示例如下：

public class Leaf extends Component {
    @Override
    public void add(Component c) {
        // 增加成员
        // 异常处理或业务提示
    }

    @Override
    public void remove(Component c) {
        // 删除成员
        // 异常处理或业务提示
    }

    @Override
    public Component getChild(int i) {
        // 获取成员
        // 异常处理或业务提示
    }

    @Override
    public void operation() {
        // 业务方法
        // 叶子构件具体业务方法的实现
    }
}

如果继承抽象构件类的是容器构件，其代码示例如下：

import java.util.ArrayList;

public class Composite extends Component {  
    private final ArrayList<Component> list = new ArrayList<>();  
  
    @Override  
    public void add(Component c) {  
        // 增加成员  
        list.add(c);  
    }  
  
    @Override  
    public void remove(Component c) {  
        // 删除成员  
        list.remove(c);  
    }  
  
    @Override  
    public Component getChild(int i) {  
        // 获取成员  
        return (Component) list.get(i);  
    }  
  
    @Override  
    public void operation() {  
        // 业务方法  
        // 叶子构件具体业务方法的实现  
        // 递归调用成员构件的业务方法  
        for (Component obj : list) {  
            obj.operation();  
        }  
    }  
}

分类

在使用组合模式时，根据抽象构件类的定义形式，可以将组合模式分为透明组合模式和安全组合模式两种。

透明组合模式

在透明组合模式中，抽象构件类声明了所有用于管理成员的方法，如 add()、remove()、getChild() 等所有方法。

透明组合模式也是组合模式的标准形式，这样做的好处是确保所有的构件类都使用相同的接口。

其缺点就是不够安全，因为叶子对象和容器对象有本质上的区别，对叶子对象提供 add()、remove()、getChild() 等方法是没有意义的，如果没有提供相应的错误处理代码，在运行阶段有可能会出错。

安全组合模式

在安全组合模式中，抽象构件类没有声明任何管理成员的方法，只声明抽象的业务方法。

这样的做法是安全的，因为根本不向叶子对象提供这些管理成员对象的方法，对于叶子对象，客户端不可能调用到这些方法。

相对的，其缺点就是不够透明，因为叶子构件和容器构件具有不同的方法，客户端不能完全针对抽象编程，必须有区别地对待叶子构件和容器构件。

总结

优点

组合模式的主要优点如下：

• 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
• 在组合模式中增加新的叶子构件和容器构件都很方便，符合开闭原则
• 客户端可以一致地使用一个组合结构或其中单个对象，简化了客户端代码

缺点

组合模式的主要缺点如下：

• 设计较复杂，客户端需要花费更多时间理清类之间的层次关系
• 在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制，通常通过运行时进行类型检查来实现

适用场景

组合模式的适用场景如下：

• 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和部分的差异
• 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

源码

在 JDK 中，HashMap 也是用到了组合模式，如下是部分代码：

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable {

    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        putMapEntries(m, true);
    }

    final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
        int s = m.size();
        if (s > 0) {
            if (table == null) { // pre-size
                float ft = ((float)s / loadFactor) + 1.0F;
                int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                         (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
                if (t > threshold)
                    threshold = tableSizeFor(t);
            } else {
                // Because of linked-list bucket constraints, we cannot
                // expand all at once, but can reduce total resize
                // effort by repeated doubling now vs later
                while (s > threshold && table.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                    resize();
            }

            for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
                K key = e.getKey();
                V value = e.getValue();
                putVal(hash(key), key, value, false, evict);
            }
        }
    }
}

putAll() 和 putMapEntries() 都接受一个 Map 结构参数，这个 Map 就是一个抽象构件，HashMap 同样是实现了 Map 结构，轻易实现一个树形的调用结构。