【设计模式深度剖析】【4】【结构型】【组合模式】| 以文件系统为例加深理解

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组合模式

组合模式（Composite Pattern）也叫合成模式，用来描述部分与整体的关系。

• 高层模块调用简单。一棵树形结构中的所有节点都是 Component，局部和整体对调用者来说没有任何区别，即高层模块不必关心自己处理的是单个对象还是整个组合结构，简化了高层模块的代码。
• 节点自由增加。使用组合模式后，如果想增加一个树枝节点、树叶节点只需要找到其父节点即可。

当我们发现需求中是体现部分与整体层次的结构时，以及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，就应该考虑用组合模式了。

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定义

英文原话

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

直译

将对象组合成树形结构来表示“部分-整体”的层次结构。组合模式使得客户端能够统一地处理单个对象和对象的组合。

如何理解？

叶子构件和容器构件实现了抽象构件，即实现了相同的接口，用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。

3个角色

UML类图

组合模式（Composite Pattern）允许我们将对象组合成树形结构以表示“部分整体”的层次结构，使得客户端以统一的方式处理单个对象和对象的组合。以下是组合模式中的主要角色：

1. 抽象构件（Component）：它可以是接口或抽象类，为叶子和容器对象声明接口，在该接口中包含用于管理子对象的方法以及用于自身操作的方法。在组合模式中，抽象构件定义了叶子和容器构件的共同行为。
2. 叶子构件（Leaf）：叶子对象继承自抽象构件，它没有子节点，通常用于实现抽象构件中的业务方法。在组合结构中，叶子节点没有子节点，其实现了在抽象构件中定义的行为。
3. 容器构件（Composite）：容器对象也继承自抽象构件，并包含一组子构件。它实现了在抽象构件中定义的行为，并提供了添加、删除和访问其子对象的方法。容器构件可以包含其他容器或叶子，从而实现复杂的树形结构。
4. 客户端（Client）：通过抽象构件接口与组合结构进行交互。对于客户端而言，叶子对象和容器对象是一致的，客户端不需要区分它们。

代码示例

以下是一个简单的Java示例来说明组合模式：

// 抽象构件  
public interface Component {
    void operation();
}

// 叶子构件  
public class Leaf implements Component{
    @Override
    public void operation() {
        // 业务处理逻辑
        System.out.println("leaf...");
    }
}

// 容器构件  
public class Composite implements Component {
    // 构件容器
    private ArrayList<Component> componentList = new ArrayList<>();

    // 添加构件
    public void add(Component component) {
        this.componentList.add(component);
    }

    // 删除构件
    public void remove(Component component) {
        this.componentList.remove(component);
    }

    // 获取子构件
    public ArrayList<Component> getChild() {
        return this.componentList;
    }

    @Override
    public void operation() {
        // 业务逻辑
        System.out.println("branch...");
    }
}

// 客户端代码  
public class DemoTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个根节点
        Composite root = new Composite();
        root.operation();
        // 创建树枝节点
        Composite branch = new Composite();
        // 创建叶子节点
        Leaf leaf = new Leaf();
        // 构建树形结构
        root.add(branch);
        branch.add(leaf);
        display(root);
    }

    // 遍历树（递归）
    public static void display(Composite root) {
        for (Component c : root.getChild()) {
            if(c instanceof Leaf){// 如果节点类型是叶子节点
                c.operation();
            }else{// 树枝节点
                c.operation();
                display((Composite) c);
            }
        }
    }
}
/* Output:
branch...
branch...
leaf...
*///~

在这个例子中，我们有一个Component接口，它定义了一个名为operation的方法。Leaf类实现了这个接口，并提供了具体的实现。Composite类同样实现了Component接口，并维护了一个子组件的列表。

组合模式的优点

1. 高层模块调用简单。一棵树形机构中的所有节点都是 Component，局部和整体对调用者来说没有任何区别，即高层模块不必关心自己处理的是单个对象还是整个组合结构，简化了高层模块的代码。
2. 节点自由增加。使用组合模式后，如果想增加一个树枝节点、树叶节点只需要找到其父节点即可。

组合模式的使用场景

使用组合模式的典型场景如下。

1. 需要描述对象的部分和整体的等级结构，如树形菜单、文件和文件夹管理。
2. 需要客户端忽略个体构件和组合构件的区别，平等对待所有的构件。

示例解析：文件系统

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UML类图

代码示例

在生活中，一个常见的组合模式的例子是文件系统。文件系统中的文件和文件夹可以看作是组合模式的实现，其中文件夹可以包含文件和其他文件夹（子文件夹），而文件则不包含任何子项。

以下是使用Java实现的示例，模拟了一个简单的文件系统：

// 抽象构件：文件或文件夹  
public interface FileSystemElement {  
    void display();  
}  

// 叶子构件：文件  
public class File implements FileSystemElement {  
    private String name;  
  
    public File(String name) {  
        this.name = name;  
    }  
  
    @Override  
    public void display() {  
        System.out.println("File: " + name);  
    }  
}  

// 容器构件：文件夹  
public class Folder implements FileSystemElement {  
    private String name;  
    private List<FileSystemElement> children = new ArrayList<>();  
  
    public Folder(String name) {  
        this.name = name;  
    }  
  
    public void add(FileSystemElement element) {  
        children.add(element);  
    }  
  
    public void remove(FileSystemElement element) {  
        children.remove(element);  
    }  
  
    @Override  
    public void display() {  
        System.out.println("Folder: " + name);  
        for (FileSystemElement child : children) {  
            child.display();  
        }  
    }  
}  

// 客户端代码
public class DemoTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建文件夹和文件  
        Folder rootFolder = new Folder("root");
        Folder documentsFolder = new Folder("Documents");
        Folder picturesFolder = new Folder("Pictures");
        File file1 = new File("example.txt");
        File file2 = new File("image.jpg");

        // 将文件和文件夹添加到对应的父文件夹中  
        rootFolder.add(documentsFolder);
        rootFolder.add(picturesFolder);
        documentsFolder.add(file1);
        picturesFolder.add(file2);

        // 显示整个文件系统的结构  
        rootFolder.display();
    }
}

/* Output:
Folder: root
Folder: Documents
File: example.txt
Folder: Pictures
File: image.jpg
*///~

在这个示例中，FileSystemElement是抽象构件接口，它声明了一个display方法用于显示文件或文件夹的信息。File类实现了这个接口，表示一个具体的文件。Folder类也实现了这个接口，表示一个文件夹，并且它有一个children列表来存储其子元素（文件和文件夹）。Folder类还提供了添加和删除子元素的方法。

在DemoTest类的main方法中，我们创建了一个根文件夹rootFolder，并添加了documentsFolder和picturesFolder两个子文件夹。接着，我们向这两个文件夹中分别添加了一个文件和图片。最后，我们调用rootFolder的display方法来显示整个文件系统的结构。

这个输出展示了组合模式中的层次结构，其中文件夹可以包含文件和子文件夹，而文件则不包含任何子项。

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