设计模式(9)--Composite(组合模式)--结构型

1.模式定义:

　　组合模式属于对象的结构模式，有时又叫做“部分——整体”模式。组合模式将对象组织到树结构中，可以用来描述整体与部分的关系。组合模式可以使客户端将单纯元素与复合元素同等看待。

2.模式特点:

　　组合模式把部分和整体的关系用树结构表示出来。组合模式使得客户端把一个个单独的成分对象和由它们复合而成的组合对象同等看待。

　　组合模式可以不提供父对象的管理方法，但是组合模式必须在合适的地方提供子对象的管理方法，诸如：add()、remove()、以及getChild()等。

　　组合模式的实现根据所实现接口的区别分为两种形式，分别称为安全式和透明式。

 　   组合模式的关键是定义了一个抽象构件类，它既可以代表叶子，又可以代表容器，而客户端针对该抽象构件类进行编程，无须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。同时容器对象与抽象构件类之间还建立一个聚合关联关系，在容器对象中既可以包含叶子，也可以包含容器，以此实现递归组合，形成一个树形结构。

　　组合模式解耦了客户程序与复杂元素内部结构，从而使客户程序可以向处理简单元素一样来处理复杂元素。

　　如果你想要创建层次结构，并可以在其中以相同的方式对待所有元素，那么组合模式就是最理想的选择。

3.使用场景:

　　当发现需求中是体现部分与整体层次结构时，以及你希望用户可以忽略组合对象与单个对象的不同，统一地使用组合结构中的所有对象时，就应该考虑组合模式了。

　　　　(1)用于对象的部分-整体层次结构，如树形菜单、文件夹菜单、部门组织架构图等；

　　　　(2)对用户隐藏组合对象与单个对象的不同，使得用户统一地使用组合结构中的所有对象。

　　　　(3) 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时。

　　　　(4) 系统中需要处理一个树形结构。

　　　　(5) 在一个系统中能够分离出叶子对象和容器对象，而且它们的类型不固定，需要增加一些新的类型。

　　　　(6) 想统一的使用组合结构中的所有对象，可以选用组合模式，这正是组合模式提供的主要功能。

　　　　(7)表示对象的部分——整体层次结构。组合模式可以方便地构造一棵树来表示对象的部分——整体结构。特别是我们在开发期间不确定这棵树到底存在多少层次的时候。在树的构造最终完成之后，只需要通过请求树的最顶层对象，便能对整棵树做统一的操作。在组合模式中增加和删除树的节点非常方便，并且符合开发——封闭原则。

　　　　(8)客户希望统一对待树中的所有对象。组合模式使客户可以忽略组合对象和叶对象的区别，客户在面对这棵树的时候，不用关心当前正在处理的对象是组合对象还是叶对象，也就是不用写一堆if，else语句来分别处理它们。组合对象和叶对象会各自做自己正确的事情，这是组合模式最重要的能力。

4.模式实现:

(1)安全式组合模式的结构

　　安全模式的组合模式要求管理聚集的方法只出现在树枝构件类中，而不出现在树叶构件类中。

这种形式涉及到三个角色：

　　　  [1]抽象构件(Component)角色：

　　这是一个抽象角色，它给参加组合的对象定义出公共的接口及其默认行为，可以用来管理所有的子对象。组合对象通常把它所包含的子对象当做类型为Component的对象。在安全式的组合模式里，构件角色并不定义出管理子对象的方法，这一定义由树枝构件对象给出。

public interface Component { 
　　/** * 输出组建自身的名称 */ 
　　public void printStruct(String preStr); 
}

　　　　[2]树叶构件(Leaf)角色：

　     树叶对象是没有下级子对象的对象，定义出参加组合的原始对象的行为。

public class Composite implements Component {
    /**
     * 用来存储组合对象中包含的子组件对象
     */
    private List<Component> childComponents = new ArrayList<Component>();
    /**
     * 组合对象的名字
     */
    private String name;
    /**
     * 构造方法，传入组合对象的名字
     * @param name    组合对象的名字
     */
    public Composite(String name){
        this.name = name;
    }
    /**
     * 聚集管理方法，增加一个子构件对象
     * @param child 子构件对象
     */
    public void addChild(Component child){
        childComponents.add(child);
    }
    /**
     * 聚集管理方法，删除一个子构件对象
     * @param index 子构件对象的下标
     */
    public void removeChild(int index){
        childComponents.remove(index);
    }
    /**
     * 聚集管理方法，返回所有子构件对象
     */
    public List<Component> getChild(){
        return childComponents;
    }
    /**
     * 输出对象的自身结构
     * @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接空格，实现向后缩进
     */
    @Override
    public void printStruct(String preStr) {
        // 先把自己输出
        System.out.println(preStr + "+" + this.name);
        //如果还包含有子组件，那么就输出这些子组件对象
        if(this.childComponents != null){
            //添加两个空格，表示向后缩进两个空格
            preStr += "  ";
            //输出当前对象的子对象
            for(Component c : childComponents){
                //递归输出每个子对象
                c.printStruct(preStr);
            }
        }
    }
}

　　　　[3]树枝构件(Composite)角色：

　　代表参加组合的有下级子对象的对象。树枝构件类给出所有的管理子对象的方法，如add()、remove()以及getChild()。

public class Leaf implements Component {
    /**
     * 叶子对象的名字
     */
    private String name;
    /**
     * 构造方法，传入叶子对象的名称
     * @param name 叶子对象的名字
     */
    public Leaf(String name){
        this.name = name;
    }
    /**
     * 输出叶子对象的结构，叶子对象没有子对象，也就是输出叶子对象的名字
     * @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接的空格，实现向后缩进
     */
    @Override
    public void printStruct(String preStr) {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println(preStr + "-" + name);
    }
}

　　　 [4]客户端类

public class Client {
    public static void main(String[]args){
        Composite root = new Composite("服装");
        Composite c1 = new Composite("男装");
        Composite c2 = new Composite("女装");
        Leaf leaf1 = new Leaf("衬衫");
        Leaf leaf2 = new Leaf("夹克");
        Leaf leaf3 = new Leaf("裙子");
        Leaf leaf4 = new Leaf("套装");
        root.addChild(c1);
        root.addChild(c2);
        c1.addChild(leaf1);
        c1.addChild(leaf2);
        c2.addChild(leaf3);
        c2.addChild(leaf4);
        root.printStruct("");
    }
}

　　可以看出，树枝构件类(Composite)给出了addChild()、removeChild()以及getChild()等方法的声明和实现，而树叶构件类则没有给出这些方法的声明或实现。这样的做法是安全的做法，由于这个特点，客户端应用程序不可能错误地调用树叶构件的聚集方法，因为树叶构件没有这些方法，调用会导致编译错误。

　　安全式组合模式的缺点是不够透明，因为树叶类和树枝类将具有不同的接口。

(2)透明式组合模式的结构

　　 与安全式的组合模式不同的是，透明式的组合模式要求所有的具体构件类，不论树枝构件还是树叶构件，均符合一个固定接口。

　　　[1]抽象构件角色类

public abstract class Component {
    /**
     * 输出组建自身的名称
     */
    public abstract void printStruct(String preStr);
    /**
     * 聚集管理方法，增加一个子构件对象
     * @param child 子构件对象
     */
    public void addChild(Component child){
        /**
         * 缺省实现，抛出异常，因为叶子对象没有此功能
         * 或者子组件没有实现这个功能
         */
        throw new UnsupportedOperationException("对象不支持此功能");
    }
    /**
     * 聚集管理方法，删除一个子构件对象
     * @param index 子构件对象的下标
     */
    public void removeChild(int index){
        /**
         * 缺省实现，抛出异常，因为叶子对象没有此功能
         * 或者子组件没有实现这个功能
         */
        throw new UnsupportedOperationException("对象不支持此功能");
    }

    /**
     * 聚集管理方法，返回所有子构件对象
     */
    public List<Component> getChild(){
        /**
         * 缺省实现，抛出异常，因为叶子对象没有此功能
         * 或者子组件没有实现这个功能
         */
        throw new UnsupportedOperationException("对象不支持此功能");
    }
}

　　　　[2]树枝构件角色类

　　此类将implements Conponent改为extends Conponent，其他地方无变化。

public class Composite extends Component {
    /**
     * 用来存储组合对象中包含的子组件对象
     */
    private List<Component> childComponents = new ArrayList<Component>();
    /**
     * 组合对象的名字
     */
    private String name;
    /**
     * 构造方法，传入组合对象的名字
     * @param name    组合对象的名字
     */
    public Composite(String name){
        this.name = name;
    }
    /**
     * 聚集管理方法，增加一个子构件对象
     * @param child 子构件对象
     */
    public void addChild(Component child){
        childComponents.add(child);
    }
    /**
     * 聚集管理方法，删除一个子构件对象
     * @param index 子构件对象的下标
     */
    public void removeChild(int index){
        childComponents.remove(index);
    }
    /**
     * 聚集管理方法，返回所有子构件对象
     */
    public List<Component> getChild(){
        return childComponents;
    }
    /**
     * 输出对象的自身结构
     * @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接空格，实现向后缩进
     */
    @Override
    public void printStruct(String preStr) {
        // 先把自己输出
        System.out.println(preStr + "+" + this.name);
        //如果还包含有子组件，那么就输出这些子组件对象
        if(this.childComponents != null){
            //添加两个空格，表示向后缩进两个空格
            preStr += "  ";
            //输出当前对象的子对象
            for(Component c : childComponents){
                //递归输出每个子对象
                c.printStruct(preStr);
            }
        }
    }
}

　　　　[3]树叶构件角色类

　　此类将implements Conponent改为extends Conponent，其他地方无变化。

public class Leaf extends Component {
    /**
     * 叶子对象的名字
     */
    private String name;
    /**
     * 构造方法，传入叶子对象的名称
     * @param name 叶子对象的名字
     */
    public Leaf(String name){
        this.name = name;
    }
    /**
     * 输出叶子对象的结构，叶子对象没有子对象，也就是输出叶子对象的名字
     * @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接的空格，实现向后缩进
     */
    @Override
    public void printStruct(String preStr) {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println(preStr + "-" + name);
    }
}

　　[4]客户端类的主要变化是不再区分Composite对象和Leaf对象。

public class Client {
    public static void main(String[]args){
        Component root = new Composite("服装");
        Component c1 = new Composite("男装");
        Component c2 = new Composite("女装");
        Component leaf1 = new Leaf("衬衫");
        Component leaf2 = new Leaf("夹克");
        Component leaf3 = new Leaf("裙子");
        Component leaf4 = new Leaf("套装");
        root.addChild(c1);
        root.addChild(c2);
        c1.addChild(leaf1);
        c1.addChild(leaf2);
        c2.addChild(leaf3);
        c2.addChild(leaf4);
        root.printStruct("");
    }
}

　　可以看出，客户端无需再区分操作的是树枝对象(Composite)还是树叶对象(Leaf)了；对于客户端而言，操作的都是Component对象。

(3)两种实现方法的选择

　　这里所说的安全性组合模式是指：从客户端使用组合模式上看是否更安全，如果是安全的，那么就不会有发生误操作的可能，能访问的方法都是被支持的。

　　这里所说的透明性组合模式是指：从客户端使用组合模式上，是否需要区分到底是“树枝对象”还是“树叶对象”。如果是透明的，那就不用区分，对于客户而言，都是Compoent对象，具体的类型对于客户端而言是透明的，是无须关心的。

　　对于组合模式而言，在安全性和透明性上，会更看重透明性，毕竟组合模式的目的是：让客户端不再区分操作的是树枝对象还是树叶对象，而是以一个统一的方式来操作。

　　而且对于安全性的实现，需要区分是树枝对象还是树叶对象。有时候，需要将对象进行类型转换，却发现类型信息丢失了，只好强行转换，这种类型转换必然是不够安全的。

　　因此在使用组合模式的时候，建议多采用透明性的实现方式。　

5.优缺点

(1)组合模式优点:

[1]使客户端调用简单，客户端可以一致的使用组合结构或其中单个对象，用户就不必关心自己处理的是单个对象还是整个组合结构，这就简化了客户端代码。

[2]更容易在组合体内加入对象部件. 客户端不必因为加入了新的对象部件而更改代码。这一点符合开闭原则的要求，对系统的二次开发和功能扩展很有利！

[3] 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。

[4]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，通过叶子对象和容器对象的递归组合，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。

(2)组合模式缺点:

[1]需要抉择使用透明方式还是安全方式。

[2]透明方式违背了面向对象的单一职责原则；安全方式增加了客户需要端判定的负担。

[3]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。

[4]在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。有时候我们希望一个容器中只能有某些特定类型的对象，例如在某个文件夹中只能包含文本文件，使用组合模式时，不能依赖类型系统来施加这些约束，因为它们都来自于相同的抽象层，在这种情况下，必须通过在运行时进行类型检查来实现，这个实现过程较为复杂。

6.注意事项

　　在使用组合模式的时候，还有以下几个值得我们注意的地方。

　　(1)组合模式不是父子关系

　　　　组合模式的树型结构容易让人误以为组合对象和叶对象的父子关系，这是不正确的。

　　　　组合模式是一种HAS-A（聚合）的关系，而不是IS-A。组合对象包含一组叶对象，但Leaf（叶对象）并不是Composite（组合对象）的子类。组合对象把请求委托给它所包含的所有叶对象，它们能够合作的关键是拥有相同的接口。

　　(2)对叶对象操作的一致性

　　　　组合模式除了要求组合对象和叶对象拥有相同的接口之外，还有一个必要的条件，就是对一组叶对象的操作必须具有一致性。

　　　　比如公司要给全体员工发放元旦的过节费1000元，这个场景可以运用组合模式，但如果公司给今天过生日的员工发送一封生日祝福的邮件，组合模式在这里就没有用武之地了，除非先把今天过生日的员工挑选出来。只有用一致的方式对待列表中的每个叶对象的时候，才适合使用组合模式。

　　(3)双向映射关系

　　　　发放过节费的通知步骤是从公司到各个部门，再到各个小组，最后到每个员工的邮箱里。这本身是一个组合模式的例子，但要考虑的一种情况是，也许某些员工属于多个组织架构。比如某位架构师既隶属于开发组，又隶属于架构组，对象之间的关系并不是严格意义上的层次结构，在这种情况下，是适不适合使用组合模式的，该架构师很可能会受到两份过节费。

这种复合情况下我们必须给父节点和子节点建立双向映射关系，一个简单的方法是给小组和员工对象都增加集合来保存对象的引用。但是这种相互间的引用相当复杂，而且对象之间产生了过多的耦合性，修改或删除一个对象都变得困难，此时我们可以引入中介者模式来管理这些对象。

　　(4)用职责链模式提高组合模式性能

　　　　在组合模式中，如果树的结构比较复杂，节点数量很多，在遍历树的过程中，性能方面也许表现得不够理想。有时候我们确实可以借助一些技巧，在实际操作中避免遍历整棵树，有一种现成的方案是借助职责链模式。职责链模式一般需要我们手动去设置 链条，但在组合模式中，父对象和子对象之间实际上形成了天然的职责链。让请求顺着链条从父对象往子对象传递，或者是反过来从子对象往父对象传递，直到遇到可以处理该请求的对象为止，这也是职责链模式的经典运用场景之一。

 

7.实际应用

　　　(1)XML解析

　　　(2)组织结构树处理

　　　(3)文件系统设计