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@w1992wishes 2018-03-13T06:18:09.000000Z 字数 8002 阅读 942

设计模式--组合模式

设计模式 结构型模式


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本文的结构如下:

一、引言

树形结构是很常见的,比如目录系统,随便点开一个文件夹,文件夹下面可能有文件,也有子文件夹,子文件夹中还有子子文件夹和文件......

还有导航中的菜单。

还有公司的部门构造等,展开来看都是树形的结构。

这些树形结构在面向对象的世界中一般是用组合模式来处理的。

组合模式通过一种巧妙的设计方案,可以一致性地处理整个树形结构或者树形结构的一部分,也可以一致性地处理树形结构中的叶子节点(不包含子节点的节点)和容器节点(包含子节点的节点)。

二、什么是组合模式

对于树形结构,当容器对象(如文件夹)的某一个方法被调用时,将遍历整个树形结构,寻找也包含这个方法的成员对象(可以是容器对象,也可以是叶子对象)并调用执行。这是靠递归调用的机制实现的。

由于容器对象和叶子对象在功能上的区别,在使用这些对象的代码中必须有区别地对待容器对象和叶子对象,而实际上大多数情况下我们希望一致地处理它们,因为对于这些对象的区别对待将会使得程序非常复杂。组合模式为解决此类问题而诞生,它可以让叶子对象和容器对象的使用具有一致性。

组合模式定义如下:

组合模式(Composite Pattern):组合多个对象形成树形结构以表示具有“整体—部分”关系的层次结构。组合模式对单个对象(即叶子对象)和组合对象(即容器对象)的使用具有一致性,组合模式又可以称为“整体—部分”(Part-Whole)模式,它是一种对象结构型模式。

三、模式的结构

组合模式的UML类图如下:

在组合模式结构图中包含如下几个角色:

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。

如果不使用组合模式,客户端代码将过多地依赖于容器对象复杂的内部实现结构,容器对象内部实现结构的变化将引起客户代码的频繁变化,带来了代码维护复杂、可扩展性差等弊端。组合模式的引入将在一定程度上解决这些问题。

四、典型代码

4.1、抽象构件角色

一般将抽象构件类设计为接口或抽象类,将所有子类共有方法的声明和实现放在抽象构件类中。对于客户端而言,将针对抽象构件编程,而无须关心其具体子类是容器构件还是叶子构件。

  1. public abstract class Component {
  2. /**
  3. * 增加成员
  4. * @param c
  5. */
  6. public void add(Component c){
  7. throw new UnsupportedOperationException();
  8. }
  9. /**
  10. * 删除成员
  11. * @param c
  12. */
  13. public void remove(Component c){
  14. throw new UnsupportedOperationException();
  15. }
  16. /**
  17. * 获取成员
  18. * @param i
  19. * @return
  20. */
  21. public Component getChild(int i){
  22. throw new UnsupportedOperationException();
  23. }
  24. /**
  25. * 业务方法
  26. */
  27. public void operation(){
  28. throw new UnsupportedOperationException();
  29. }
  30. }

为什么所有方法都抛出UnsupportedOperationException?是因为有些方法只对容器构件有意义,而有些方法只对叶子构件有意义,这样,如果某个子构件不支持某个操作,直接继承默认方法就可以了。

4.2、叶子构件

叶子构件继承自抽象构建抽象构建:

  1. public class Leaf extends Component {
  2. @Override
  3. public void operation(){
  4. System.out.println("子构件");
  5. }
  6. }

叶子构件不能再包含子构件,因此在叶子构件中只需事先业务方法,其他默认继承,抛出为什么所有方法都抛出UnsupportedOperationException。

4.3、容器构件

  1. public class Composite extends Component {
  2. private List<Component> list = new ArrayList<Component>();
  3. @Override
  4. public void add(Component c){
  5. list.add(c);
  6. }
  7. @Override
  8. public void remove(Component c) {
  9. list.remove(c);
  10. }
  11. @Override
  12. public Component getChild(int i) {
  13. return list.get(i);
  14. }
  15. @Override
  16. public void operation(){
  17. for (Component child: list){
  18. child.operation();
  19. }
  20. }
  21. }

容器构件中实现了在抽象构件中声明的所有方法,既包括业务方法,也包括用于访问和管理成员子构件的方法。

需要注意的是在实现具体业务方法时,由于容器构件充当的是容器角色,包含成员构件,因此它将调用其成员构件的业务方法。在组合模式结构中,由于容器构件中仍然可以包含容器构件,因此在对容器构件进行处理时需要使用递归算法,即在容器构件的operation()方法中递归调用其成员构件的operation()方法。

五、代码示例

假设这样的场景:

在电脑E盘有个文件夹,该文件夹下面有很多文件,有视频文件,有音频文件,有图像文件,还有包含视频、音频及图像的文件夹,十分杂乱,现希望将这些杂乱的文件展示出来。

这里其实就是一个树形结构,根据一定的规则分类后,大致是这样的:

5.1、不使用组合模式

注:当然可以一个循环遍历就搞定了,因为这里用的是文件的形式,如果是别的形式呢?所以不要太较真了,只是举例。

  1. public class MusicFile {
  2. private String name;
  3. public MusicFile(String name){
  4. this.name = name;
  5. }
  6. public void print(){
  7. System.out.println(name);
  8. }
  9. }
  10. public class VideoFile {
  11. private String name;
  12. public VideoFile(String name){
  13. this.name = name;
  14. }
  15. public void print(){
  16. System.out.println(name);
  17. }
  18. }
  19. public class ImageFile {
  20. private String name;
  21. public ImageFile(String name){
  22. this.name = name;
  23. }
  24. public void print(){
  25. System.out.println(name);
  26. }
  27. }
  28. public class Folder {
  29. private String name;
  30. //音乐
  31. private List<MusicFile> musicList = new ArrayList<MusicFile>();
  32. //视频
  33. private List<VideoFile> videoList = new ArrayList<VideoFile>();
  34. //图片
  35. private List<ImageFile> imageList = new ArrayList<ImageFile>();
  36. //文件夹
  37. private List<Folder> folderList = new ArrayList<Folder>();
  38. public Folder(String name){
  39. this.name = name;
  40. }
  41. public void addFolder(Folder folder){
  42. folderList.add(folder);
  43. }
  44. public void addImage(ImageFile image){
  45. imageList.add(image);
  46. }
  47. public void addVideo(VideoFile video){
  48. videoList.add(video);
  49. }
  50. public void addMusic(MusicFile music){
  51. musicList.add(music);
  52. }
  53. public void print(){
  54. for (MusicFile music : musicList){
  55. music.print();
  56. }
  57. for (VideoFile video : videoList){
  58. video.print();
  59. }
  60. for(ImageFile image : imageList){
  61. image.print();
  62. }
  63. for (Folder folder : folderList){
  64. folder.print();
  65. }
  66. }
  67. }

客户端测试:

  1. public class Client {
  2. public static void main(String[] args) {
  3. MusicFile m1 = new MusicFile("尽头.mp3");
  4. MusicFile m2 = new MusicFile("飘洋过海来看你.mp3");
  5. MusicFile m3 = new MusicFile("曾经的你.mp3");
  6. MusicFile m4 = new MusicFile("take me to your heart.mp3");
  7. VideoFile v1 = new VideoFile("战狼2.mp4");
  8. VideoFile v2 = new VideoFile("理想.avi");
  9. VideoFile v3 = new VideoFile("琅琊榜.avi");
  10. ImageFile i1 = new ImageFile("敦煌.png");
  11. ImageFile i2 = new ImageFile("baby.jpg");
  12. ImageFile i3 = new ImageFile("girl.jpg");
  13. Folder aa = new Folder("aa");
  14. aa.addImage(i3);
  15. Folder bb = new Folder("bb");
  16. bb.addMusic(m4);
  17. bb.addVideo(v3);
  18. Folder top = new Folder("top");
  19. top.addFolder(aa);
  20. top.addFolder(bb);
  21. top.addMusic(m1);
  22. top.addMusic(m2);
  23. top.addMusic(m3);
  24. top.addVideo(v1);
  25. top.addVideo(v2);
  26. top.addImage(i1);
  27. top.addImage(i2);
  28. top.print();
  29. }
  30. }

如果采用上述的形式,有几个缺点:

5.2、使用组合模式改进

为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性,客户端可以一致地对待文件和文件夹,定义一个抽象构件AbstractFile,Folder充当容器构件,MusicFile、VideoFile和ImageFile充当叶子构件。

抽象构件AbstractFile:

  1. public abstract class AbstractFile {
  2. public void add(AbstractFile file){
  3. throw new UnsupportedOperationException();
  4. }
  5. public void remove(AbstractFile file){
  6. throw new UnsupportedOperationException();
  7. }
  8. public AbstractFile getChild(int i){
  9. throw new UnsupportedOperationException();
  10. }
  11. public void print(){
  12. throw new UnsupportedOperationException();
  13. }
  14. }

叶子构件:

  1. public class MusicFile extends AbstractFile{
  2. private String name;
  3. public MusicFile(String name){
  4. this.name = name;
  5. }
  6. public void print(){
  7. System.out.println(name);
  8. }
  9. }
  10. public class VideoFile extends AbstractFile{
  11. private String name;
  12. public VideoFile(String name){
  13. this.name = name;
  14. }
  15. public void print(){
  16. System.out.println(name);
  17. }
  18. }
  19. public class ImageFile extends AbstractFile{
  20. private String name;
  21. public ImageFile(String name){
  22. this.name = name;
  23. }
  24. public void print(){
  25. System.out.println(name);
  26. }
  27. }

容器构件:

  1. public class Folder extends AbstractFile{
  2. private String name;
  3. private List<AbstractFile> files = new ArrayList<AbstractFile>();
  4. public Folder(String name){
  5. this.name = name;
  6. }
  7. @Override
  8. public void add(AbstractFile file){
  9. files.add(file);
  10. }
  11. @Override
  12. public void remove(AbstractFile file){
  13. files.remove(file);
  14. }
  15. @Override
  16. public AbstractFile getChild(int i){
  17. return files.get(i);
  18. }
  19. @Override
  20. public void print(){
  21. for (AbstractFile file : files){
  22. file.print();
  23. }
  24. }
  25. }

客户端测试:

  1. public class Client {
  2. public static void main(String[] args) {
  3. AbstractFile m1 = new MusicFile("尽头.mp3");
  4. AbstractFile m2 = new MusicFile("飘洋过海来看你.mp3");
  5. AbstractFile m3 = new MusicFile("曾经的你.mp3");
  6. AbstractFile m4 = new MusicFile("take me to your heart.mp3");
  7. AbstractFile v1 = new VideoFile("战狼2.mp4");
  8. AbstractFile v2 = new VideoFile("理想.avi");
  9. AbstractFile v3 = new VideoFile("琅琊榜.avi");
  10. AbstractFile i1 = new ImageFile("敦煌.png");
  11. AbstractFile i2 = new ImageFile("baby.jpg");
  12. AbstractFile i3 = new ImageFile("girl.jpg");
  13. AbstractFile aa = new Folder("aa");
  14. aa.add(i3);
  15. AbstractFile bb = new Folder("bb");
  16. bb.add(m4);
  17. bb.add(v3);
  18. AbstractFile top = new Folder("top");
  19. top.add(aa);
  20. top.add(bb);
  21. top.add(m1);
  22. top.add(m2);
  23. top.add(m3);
  24. top.add(v1);
  25. top.add(v2);
  26. top.add(i1);
  27. top.add(i2);
  28. top.print();
  29. }
  30. }

用组合模式提供一个抽象构件后,客户端可以一致对待容器构件和叶子构件,进行统一处理,并且大量减少了冗余,扩展性也很好,新增TextFile无需修改Folder源码,只需修改客户端即可。

当然,这里似乎有点违法“迭代器模式”中讲的“单一职责原则”,的确是,抽象构件不但要管理层次结构,还要执行一些业务操作。

我觉得应该这样理解问题,设计模式并不应该是生套似的,各种设计原则也并不是说一定不能破坏的,所有的种种都是为了更好的解决问题,更好的进行扩展维护,当适度破坏既定的原则,却可以更好的解决问题时,显然这里以单一设计原则换取了透明性,这种折中方案是可取的。

六、优点和缺点

6.1、优点

组合模式的主要优点如下:

6.2、缺点

组合模式的主要缺点如下:

七、适用环境

在以下情况下可以考虑使用组合模式:

八、模式应用

组合模式使用面向对象的思想来实现树形结构的构建与处理,描述了如何将容器对象和叶子对象进行递归组合,实现简单,灵活性好。由于在软件开发中存在大量的树形结构,因此组合模式是一种使用频率较高的结构型设计模式,Java SE中的AWT和Swing包的设计就基于组合模式,在这些界面包中为用户提供了大量的容器构件(如Container)和成员构件(如Checkbox、Button和TextArea等)。

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