设计模式学习(11) 23-9 组合模式

0.个人感悟

• 组合模式的应用场景比较专，适合树状嵌套场景，统一去处理单个对象和组合对象
• 可以扩展学习学习数据结构中的tree
• 使用的时候注意简单对象和组合对象的一致性，如果差异大，不建议使用

1. 概念

英文定义(《设计模式：可复用面向对象软件的基础》)

Compose objects into tree structures to represent part-whole hierarchies. Composite
lets client treat individual objects and compositions of objects uniformly.

中文翻译

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。

理解

• 组合模式的核心思想是用一致的方式处理单个对象和组合对象
• 通过树形结构组织对象，形成"部分-整体"的层次关系
• 客户端无需关心当前处理的是单个对象还是组合对象，简化了客户端代码

2. 适配场景

2.1 适合的场景

1. 需要表示对象的"部分-整体"层次结构（如文件系统、组织架构）
2. 希望客户端忽略组合对象与单个对象的差异，统一地使用结构中的所有对象
3. 需要对树形结构中的所有节点执行统一操作（如统计、渲染、搜索）
4. 系统需要动态地添加或删除组件，且组件可能嵌套多层

2.2 常见场景举例

• GUI界面开发：窗口包含面板，面板包含按钮、文本框等控件
• 文件系统：文件夹可以包含文件或子文件夹
• 组织架构：部门包含员工和子部门
• 菜单系统：菜单包含菜单项或子菜单
• 图形编辑器：复杂图形由简单图形组合而成

3. 实现方法

3.1 实现思路

1. 定义抽象组件（Component）接口或抽象类：声明所有对象的共同接口，包括管理子组件的方法（添加、删除、获取子组件）
2. 创建叶子（Leaf）类：实现Component接口，表示树中的叶子节点（没有子节点）
3. 创建组合（Composite）类：实现Component接口，包含子组件集合，并实现子组件的管理方法
4. 客户端通过Component接口与所有对象交互，无需区分是单个对象还是组合对象

3.2 UML类图

角色说明：

• Component（抽象组件）：定义组合对象和叶子对象的共同接口
• Leaf（叶子）：没有子组件的简单对象
• Composite（组合）：包含子组件的复杂对象，存储和管理子组件

3.3 代码示例

背景:电脑文件系统，支持展开梳妆结构，其中叶子结点是文件，复杂对象是文件夹

定义统一的文件系统组件:

publicabstractclassFileSystemComponent{protectedStringname;publicFileSystemComponent(Stringname){this.name=name;}publicStringgetName(){returnname;}publicvoidsetName(Stringname){}/** * @description display * @author bigHao * @date 2026/1/11 **/publicabstractvoiddisplay();/** * @param component 组件 * @description 添加操作 文件不支持 * @author bigHao * @date 2026/1/11 **/publicvoidadd(FileSystemComponentcomponent){thrownewUnsupportedOperationException("不支持添加操作");}/** * @param component 组件 * @description 移除操作，文件不支持 * @author bigHao * @date 2026/1/11 **/publicvoidremove(FileSystemComponentcomponent){thrownewUnsupportedOperationException("不支持删除操作");}/** * @param index 索引 * @return FileSystemComponent 子对象 * @description 获取子对象 文件不支持 * @author bigHao * @date 2026/1/11 **/publicFileSystemComponentgetChild(intindex){thrownewUnsupportedOperationException("不支持获取子组件操作");}}

叶子节点:

publicclassFileextendsFileSystemComponent{privateStringextension;publicFile(Stringname,Stringextension){super(name);this.extension=extension;}@Overridepublicvoiddisplay(){System.out.println(name+"("+extension+")");}publicStringgetExtension(){returnextension;}publicvoidsetExtension(Stringextension){this.extension=extension;}}

组合节点: 注意children属性

publicclassFolderextendsFileSystemComponent{privateList<FileSystemComponent>children;publicFolder(Stringname){super(name);this.children=newArrayList<>();}@Overridepublicvoiddisplay(){System.out.println("folder: "+name);for(FileSystemComponentcomponent:children){component.display();}}@Overridepublicvoidadd(FileSystemComponentcomponent){children.add(component);}@Overridepublicvoidremove(FileSystemComponentcomponent){children.remove(component);}@OverridepublicFileSystemComponentgetChild(intindex){if(index>=0&&index<children.size()){returnchildren.get(index);}returnnull;}publicintgetChildCount(){returnchildren.size();}publicList<FileSystemComponent>getChildren(){returnnewArrayList<>(children);}}

测试和输出:

publicclassClient{staticvoidmain(){System.out.println("===文件系统示例 ===\n");// 创建文件FileSystemComponentfile1=newFile("document.txt","txt");FileSystemComponentfile2=newFile("image.jpg","jpg");FileSystemComponentfile3=newFile("data.pdf","pdf");FileSystemComponentfile4=newFile("program.exe","exe");FileSystemComponentfile5=newFile("config.ini","ini");// 创建文件夹Folderroot=newFolder("我的电脑");Folderdocuments=newFolder("文档");Folderimages=newFolder("图片");Foldersystem=newFolder("系统");// 构建文件夹结构documents.add(file1);documents.add(file3);images.add(file2);system.add(file4);system.add(file5);root.add(documents);root.add(images);root.add(system);// 显示文件系统结构System.out.println("1. 完整的文件系统结构：");root.display();}}

===文件系统示例 === 完整的文件系统结构： folder: 我的电脑 folder: 文档 document.txt(txt) data.pdf(pdf) folder: 图片 image.jpg(jpg) folder: 系统 program.exe(exe) config.ini(ini)

4. 优缺点

4.1 优点

符合开闭原则：添加新类型的组件（如链接文件）无需修改现有代码
提高复用性：可以复用叶子节点和组合节点，构建复杂的层次结构
增强可维护性：简化客户端代码，客户端无需关心是单个对象还是组合对象
提高可读性：通过树形结构清晰地表达了"部分-整体"的关系
支持递归组合：可以方便地构建任意复杂的对象结构

4.2 缺点

设计较为抽象：增加了系统的抽象性和理解难度
类型检查问题：在运行时可能需要类型检查来确定具体类型
性能考虑：对于深层次的树结构，递归操作可能有性能开销

5. 源码分析（JDK中的组合模式实现）

JDK中的map很典型地体现了组合模式思想，map接口中包含了一些列map增删方法，同时putAll方法，可以接受另一个Map

publicstaticvoidmain(String[]args){// 叶子Map<String,Integer>map1=newHashMap<>();map1.put("A",1);map1.put("B",2);// 叶子Map<String,Integer>map2=newHashMap<>();map2.put("C",3);// 组合Map<String,Map<String,Integer>>nestedMap=newHashMap<>();nestedMap.put("Nested",map1);//Map<String,Object>result=newHashMap<>();result.putAll(map1);result.putAll(map2);// 添加嵌套Mapresult.put("NestedMap",nestedMap);System.out.println(result);}

putAll的定义

publicinterfaceMap<K,V>{// ... 其他方法// putAll方法接受另一个Map（可以看作组合对象）voidputAll(Map<?extendsK,?extendsV>m);}

HashMap实现

publicclassHashMap<K,V>extendsAbstractMap<K,V>implementsMap<K,V>,Cloneable,Serializable{@OverridepublicvoidputAll(Map<?extendsK,?extendsV>m){// 这里的m可以是单个HashMap，也可以是嵌套的Map结构// 客户端不需要知道m的具体结构，统一对待for(Map.Entry<?extendsK,?extendsV>e:m.entrySet())put(e.getKey(),e.getValue());}}

分析：

• Map接口充当了抽象组件角色
• 简单的map实例可以看作是叶子节点
• 包含其他Map的Map可以看作是组合节点
• putAll方法允许客户端统一处理单个Map和嵌套的Map结构
• 客户端代码不需要关心Map内部的具体结构，只需通过统一接口操作

注意：严格来说，JDK的Map实现不是标准的组合模式，因为它没有明确定义Component、Leaf、Composite的层次结构，但它体现了组合模式的核心思想——统一处理单个对象和组合对象

参考：

• 韩顺平 Java设计模式
• 张维鹏 Java设计模式之结构型：组合模式
• kosamino 设计模式之组合模式（Composite）详解及代码示例