【深入了解设计模式】组合设计模式

时间：2024-03-03 18:02:01

组合设计模式

在这里插入图片描述
组合模式是一种结构型设计模式，它允许你将对象组合成树状结构来表现“整体-部分”关系。组合模式使得客户端可以统一对待单个对象和组合对象，从而使得代码更加灵活和易于扩展。

概述

​ 对于这个图片肯定会非常熟悉，上图我们可以看做是一个文件系统，对于这样的结构我们称之为树形结构。在树形结构中可以通过调用某个方法来遍历整个树，当我们找到某个叶子节点后，就可以对叶子节点进行相关的操作。可以将这颗树理解成一个大的容器，容器里面包含很多的成员对象，这些成员对象即可是容器对象也可以是叶子对象。但是由于容器对象和叶子对象在功能上面的区别，使得我们在使用的过程中必须要区分容器对象和叶子对象，但是这样就会给客户带来不必要的麻烦，作为客户而已，它始终希望能够一致的对待容器对象和叶子对象。

定义：

​ 组合模式又名部分整体模式，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。

在组合模式中，有两种主要的参与者：

  1. 组件（Component）：组件是组合中的对象的抽象类或接口，它定义了组合中所有对象的通用行为和属性。组件可以是单个对象，也可以是组合对象，即包含其他组件的对象。

  2. 叶节点（Leaf）：叶节点是组合中的单个对象，它实现了组件接口，但没有子组件。

  3. 容器（Composite）：容器是组合中的包含其他组件的对象，它实现了组件接口，并且包含一个子组件列表。容器可以包含叶节点或其他容器作为其子组件。

示例一：

// 组件接口
interface Component {
    void operation();
}

// 叶节点
class Leaf implements Component {
    @Override
    public void operation() {
        System.out.println("Leaf operation");
    }
}

// 容器
class Composite implements Component {
    private List<Component> children = new ArrayList<>();

    public void add(Component component) {
        children.add(component);
    }

    public void remove(Component component) {
        children.remove(component);
    }

    @Override
    public void operation() {
        System.out.println("Composite operation");
        for (Component component : children) {
            component.operation();
        }
    }
}

// 客户端
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Component leaf1 = new Leaf();
        Component leaf2 = new Leaf();
        Component composite = new Composite();
        composite.add(leaf1);
        composite.add(leaf2);

        composite.operation();
    }
}

在这个示例中，Leaf类表示叶节点，Composite类表示容器，Client类表示客户端。组件接口Component定义了组合中所有对象的通用行为，Leaf和Composite实现了该接口。Composite类中包含一个子组件列表，它的operation方法会递归调用子组件的operation方法。Client类创建了叶节点和容器对象，并调用容器对象的operation方法，从而实现了对组合结构的操作。

示例二：

软件菜单

如下图，我们在访问别的一些管理系统时，经常可以看到类似的菜单。一个菜单可以包含菜单项（菜单项是指不再包含其他内容的菜单条目），也可以包含带有其他菜单项的菜单，因此使用组合模式描述菜单就很恰当，我们的需求是针对一个菜单，打印出其包含的所有菜单以及菜单项的名称。

在这里插入图片描述
要实现该案例，我们先画出类图：


代码实现：

不管是菜单还是菜单项，都应该继承自统一的接口，这里姑且将这个统一的接口称为菜单组件。

/**
 * @author OldGj 2024/02/28
 * @version v1.0
 * @apiNote 抽象根节点 - 菜单组件
 */
public abstract class MenuComponent {

    protected String name;
    protected int level;

    // 添加子菜单
    public void add(MenuComponent menuComponent){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    // 删除子菜单
    public void remove(MenuComponent menuComponent){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    // 获取指定的子菜单
    public MenuComponent getChild(int index){
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    // 获取菜单名
    public String getName(){
        return name;
    }

    // 打印菜单即所有子菜单
    public abstract void print();

}

这里的MenuComponent定义为抽象类，因为有一些共有的属性和行为要在该类中实现，Menu和MenuItem类就可以只覆盖自己感兴趣的方法，而不用搭理不需要或者不感兴趣的方法，举例来说，Menu类可以包含子菜单，因此需要覆盖add()、remove()、getChild()方法，但是MenuItem就不应该有这些方法。这里给出的默认实现是抛出异常，你也可以根据自己的需要改写默认实现。

/**
 * @author OldGj 2024/02/28
 * @version v1.0
 * @apiNote 树枝节点 - 菜单类
 */
public class Menu extends MenuComponent {


    private final List<MenuComponent> menuComponentList = new ArrayList<>();

    public Menu(String name, int level) {
        this.name = name;
        this.level = level;
    }

    @Override
    public void add(MenuComponent menuComponent) {
        menuComponentList.add(menuComponent);
    }

    @Override
    public void remove(MenuComponent menuComponent) {
        menuComponentList.remove(menuComponent);
    }

    @Override
    public MenuComponent getChild(int index) {
        return menuComponentList.get(index);
    }

    @Override
    public String getName() {
        return super.getName();
    }

    @Override
    public void print() {
        for (int i = 0; i < level; i++) {
            System.out.print("-");
        }
        System.out.println(name);
        for (MenuComponent menuComponent : menuComponentList) {
            menuComponent.print();
        }
    }
}

Menu类已经实现了除了getName方法的其他所有方法，因为Menu类具有添加菜单，移除菜单和获取子菜单的功能。

/**
 * @author OldGj 2024/02/28
 * @version v1.0
 * @apiNote 叶子节点 - 菜单项
 */
public class MenuItem extends MenuComponent {

    public MenuItem(String name, int level) {
        this.name = name;
        this.level = level;
    }

    @Override
    public void print() {
        for (int i = 0; i < level; i++) {
            System.out.print("-");
        }
        System.out.println(name);
    }
}

MenuItem是菜单项，不能再有子菜单，所以添加菜单，移除菜单和获取子菜单的功能并不能实现。

package com.tyut.pattern._02_structure_model.e06combination;

/**
 * @author OldGj 2024/02/28
 * @version v1.0
 * @apiNote 客户端 - 测试类
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        MenuComponent menu1 = new Menu("菜单管理",2);
        menu1.add(new MenuItem("页面访问",3));
        menu1.add(new MenuItem("展开菜单",3));
        MenuComponent menu2 = new Menu("权限配置",2);
        menu2.add(new MenuItem("页面访问",3));
        menu2.add(new MenuItem("提交保存",3));
        MenuComponent menu3 = new Menu("角色管理",2);
        menu3.add(new MenuItem("页面访问",3));
        menu3.add(new MenuItem("新增角色",3));

        MenuComponent component = new Menu("系统管理",1);
        component.add(menu1);
        component.add(menu2);
        component.add(menu3);

        component.print();
    }
}

组合模式分类：

组合模式可以根据其结构和功能特点进行不同的分类。根据结构的不同，组合模式可以分为两种主要的类型：

  1. 透明式组合模式（Transparent Composite Pattern）：

透明组合模式中，抽象根节点角色中声明了所有用于管理成员对象的方法，比如在示例中 MenuComponent 声明了 add、remove 、getChild 方法，这样做的好处是确保所有的构件类都有相同的接口。透明组合模式也是组合模式的标准形式。

透明组合模式的缺点是不够安全，因为叶子对象和容器对象在本质上是有区别的，叶子对象不可能有下一个层次的对象，即不可能包含成员对象，因此为其提供 add()、remove() 等方法是没有意义的，这在编译阶段不会出错，但在运行阶段如果调用这些方法可能会出错（如果没有提供相应的错误处理代码）

  1. 安全式组合模式（Safe Composite Pattern）：

在安全组合模式中，在抽象构件角色中没有声明任何用于管理成员对象的方法，而是在树枝节点 Menu 类中声明并实现这些方法。安全组合模式的缺点是不够透明，因为叶子构件和容器构件具有不同的方法，且容器构件中那些用于管理成员对象的方法没有在抽象构件类中定义，因此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。

此外，组合模式还可以根据功能特点进行分类，主要有以下两种类型：

  1. 单一职责的组合模式：
    在单一职责的组合模式中，组件类负责自身的行为和职责，不负责管理子组件。这意味着叶节点和容器对象的职责是单一的，叶节点负责执行具体的操作，而容器对象负责组合子组件。单一职责的组合模式的主要特点是各个组件类的职责清晰，但可能需要更多的组合对象来实现复杂的操作。

  2. 透明的组合模式：
    在透明的组合模式中，组件类负责自身的行为和管理子组件。这意味着叶节点和容器对象具有相同的接口和行为，客户端无需区分叶节点和容器对象。透明的组合模式的主要特点是接口的统一性和一致性，但可能会导致接口中包含一些不适用于所有对象的方法。

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。
  • 客户端可以一致地使用一个组合结构或其中单个对象，不必关心处理的是单个对象还是整个组合结构，简化了客户端代码。
  • 在组合模式中增加新的树枝节点和叶子节点都很方便，无须对现有类库进行任何修改，符合“开闭原则”。
  • 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，通过叶子节点和树枝节点的递归组合，可以形成复杂的树形结构，但对树形结构的控制却非常简单。

使用场景

组合模式正是应树形结构而生，所以组合模式的使用场景就是出现树形结构的地方。比如：文件目录显示，多级目录呈现等树形结构数据的操作。

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