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设计模式教程(11-组合模式)

2021.07.20

组合模式uml.png

1 定义

组合(Composite Pattern)模式的定义:有时又叫作整体-部分(Part-Whole)模式,它是一种将对象组合成树状的层次结构的模式,用来表示“整体-部分”的关系,使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性,属于结构型设计模式。


组合模式一般用来描述整体与部分的关系,它将对象组织到树形结构中,顶层的节点被称为根节点,根节点下面可以包含树枝节点和叶子节点,树枝节点下面又可以包含树枝节点和叶子节点,树形结构图如下。

leaf.png

由上图可以看出,其实根节点和树枝节点本质上属于同一种数据类型,可以作为容器使用;而叶子节点与树枝节点在语义上不属于用一种类型。但是在组合模式中,会把树枝节点和叶子节点看作属于同一种数据类型(用统一接口定义),让它们具备一致行为。这样,在组合模式中,整个树形结构中的对象都属于同一种类型,带来的好处就是用户不需要辨别是树枝节点还是叶子节点,可以直接进行操作,给用户的使用带来极大的便利。

2 UML 类图

组合模式包含以下主要角色。

  1. 抽象构件(Component)角色:它的主要作用是为树叶构件和树枝构件声明公共接口,并实现它们的默认行为。在透明式的组合模式中抽象构件还声明访问和管理子类的接口;在安全式的组合模式中不声明访问和管理子类的接口,管理工作由树枝构件完成。(总的抽象类或接口,定义一些通用的方法,比如新增、删除)
  2. 树叶构件(Leaf)角色:是组合中的叶节点对象,它没有子节点,用于继承或实现抽象构件。
  3. 树枝构件(Composite)角色 / 中间构件:是组合中的分支节点对象,它有子节点,用于继承和实现抽象构件。它的主要作用是存储和管理子部件,通常包含 Add()、Remove()、GetChild() 等方法。

组合模式分为透明式的组合模式和安全式的组合模式:

2.1 透明式的组合模式

在该方式中,由于抽象构件声明了所有子类中的全部方法,所以客户端无须区别树叶对象和树枝对象,对客户端来说是透明的。但其缺点是:树叶构件本来没有 Add()、Remove() 及 GetChild() 方法,却要实现它们(空实现或抛异常),这样会带来一些安全性问题。其结构图如图 1 所示。

touming.gif

2.2 安全式的组合模式

在该方式中,将管理子构件的方法移到树枝构件中,抽象构件和树叶构件没有对子对象的管理方法,这样就避免了上一种方式的安全性问题,但由于叶子和分支有不同的接口,客户端在调用时要知道树叶对象和树枝对象的存在,所以失去了透明性。其结构图如图 2 所示。

anquan.gif

3 代码示例

3.1 抽象构件(Component)角色

抽象构件(Component)角色:它的主要作用是为树叶构件和树枝构件声明公共接口,并实现它们的默认行为。在透明式的组合模式中抽象构件还声明访问和管理子类的接口;在安全式的组合模式中不声明访问和管理子类的接口,管理工作由树枝构件完成。(总的抽象类或接口,定义一些通用的方法,比如新增、删除):

public interface Component {
    public void add(Component c);
    public void remove(Component c);
    public Component getChild(int i);
    public void operation();
}

3.2 树叶构件(Leaf)角色

是组合中的叶节点对象,它没有子节点,用于继承或实现抽象构件:

//树叶构件
class Leaf implements Component {
    private String name;
    public Leaf(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void add(Component c) {

    }

    @Override
    public void remove(Component c) {

    }

    @Override
    public Component getChild(int i) {
        return null;
    }

    @Override
    public void operation() {
        System.out.println("树叶" + name + ":被访问!");
    }
}

3.3 树枝构件(Composite)角色 / 中间构件

是组合中的分支节点对象,它有子节点,用于继承和实现抽象构件。它的主要作用是存储和管理子部件,通常包含 Add()、Remove()、GetChild() 等方法:

//树枝构件
class Composite implements Component {
    private ArrayList<Component> children = new ArrayList<Component>();
    public void add(Component c) {
        children.add(c);
    }
    public void remove(Component c) {
        children.remove(c);
    }
    public Component getChild(int i) {
        return children.get(i);
    }
    public void operation() {
        for (Object obj : children) {
            ((Component) obj).operation();
        }
    }
}

4 优缺点

4.1 优点

  1. 组合模式使得客户端代码可以一致地处理单个对象和组合对象,无须关心自己处理的是单个对象,还是组合对象,这简化了客户端代码;
  2. 更容易在组合体内加入新的对象,客户端不会因为加入了新的对象而更改源代码,满足“开闭原则”;

4.2 缺点

  1. 设计较复杂,客户端需要花更多时间理清类之间的层次关系;
  2. 不容易限制容器中的构件;
  3. 不容易用继承的方法来增加构件的新功能;