第十一章 组合模式
组合模式（Composite Pattern）是一种结构型设计模式，用于将对象组合成树状结构以表示“部分-整体”的层次关系。这种模式允许客户端以统一的方式处理单个对象和对象组合，从而使整体系统更具层次性和灵活性。
组合模式的核心思想是将对象组织成树形结构，其中包括两种主要类型的对象：
叶子节点（Leaf）： 表示树结构中的单个对象，它没有子对象。叶子节点执行实际操作或提供具体的功能。
组合节点（Composite）： 表示树结构中的容器，它可以包含叶子节点或其他组合节点作为其子对象。组合节点通常会将操作委派给其子对象，并可能执行额外的操作。
以下是组合模式的关键要点和示例：
关键要点：
组件（Component）： 定义了组合中的对象的通用接口，包括叶子节点和组合节点。这个接口通常包括一组操作，如添加、删除、获取子对象等。
叶子节点（Leaf）： 实现了组件接口，表示树结构中的单个对象。叶子节点没有子对象，并执行实际操作。
组合节点（Composite）： 也实现了组件接口，表示树结构中的容器对象。组合节点可以包含叶子节点或其他组合节点作为其子对象，它将操作委派给子对象并可能执行额外的操作。
组合模式示例：
考虑一个组织结构的示例，其中包括部门和员工。每个部门可以包含员工或其他部门作为子对象。我们可以使用组合模式来表示这种层次关系。
以下是一个简化的 Java 示例：
// 组件接口 - 组织单位
interface OrganizationUnit {
void display();
}
// 叶子节点 - 员工
class Employee implements OrganizationUnit {
private String name;
public Employee(String name) {
this.name = name;
}
public void display() {
System.out.println("Employee: " + name);
}
}
// 组合节点 - 部门
class Department implements OrganizationUnit {
private String name;
private List<OrganizationUnit> subUnits = new ArrayList<>();
public Department(String name) {
this.name = name;
}
public void addSubUnit(OrganizationUnit unit) {
subUnits.add(unit);
}
public void display() {
System.out.println("Department: " + name);
for (OrganizationUnit unit : subUnits) {
unit.display();
}
}
}
// 客户端代码
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Employee emp1 = new Employee("John");
Employee emp2 = new Employee("Alice");
Department sales = new Department("Sales");
sales.addSubUnit(emp1);
sales.addSubUnit(emp2);
Employee emp3 = new Employee("Bob");
Department marketing = new Department("Marketing");
marketing.addSubUnit(emp3);
Department company = new Department("Company");
company.addSubUnit(sales);
company.addSubUnit(marketing);
company.display(); // 显示整个组织结构
}
}
在这个示例中，我们定义了 OrganizationUnit 接口，它是组合模式的组件接口。然后，我们实现了叶子节点（Employee 类）和组合节点（Department 类）。Department 类可以包含其他部门或员工作为子对象，并且它负责显示整个组织结构。
通过组合模式，客户端可以以一致的方式处理单个员工和整个部门，使得组织结构的管理和显示更加灵活和层次化。这种模式特别适用于树形结构的问题领域，如组织结构、文件系统等。
组合模式跟我们之前讲的面向对象设计中的“组合关系（通过组合来组装两个类）”，完全是两码事。这里讲的“组合模式”，主要是用来处理树形结构数据。这里的“数据”，你可以简单理解为一组对象集合，待会我们会详细讲解。
正因为其应用场景的特殊性，数据必须能表示成树形结构，这也导致了这种模式在实际的项目开发中并不那么常用。但是，一旦数据满足树形结构，应用这种模式就能发挥很大的作用，能让代码变得非常简洁。
1. 组合模式的原理与实现
在 GoF 的《设计模式》一书中，组合模式是这样定义的：
Compose objects into tree structure to represent part-whole hierarchies.Composite lets client treat individual objects and compositions of
objects uniformly.翻译成中文就是：将一组对象组织（Compose）成树形结构，以表示一种“部分 - 整体”的层次结构。组合让客户端（在很多设计模式书籍中，“客户端”代指代码的使用者。）可以统一单个对象和组合对象的处理逻辑。
接下来，对于组合模式，我举个例子来给你解释一下。
假设我们有这样一个需求：设计一个类来表示文件系统中的目录，能方便地实现下面这些功能：
- 动态地添加、删除某个目录下的子目录或文件；
- 统计指定目录下的文件个数；
- 统计指定目录下的文件总大小。
我这里给出了这个类的骨架代码，如下所示。其中的核心逻辑并未实现，你可以试着自己去补充完整，再来看我的讲解。
在下面的代码实现中，我们把文件和目录统一用FileSystemNode 类来表示，并且通过 isFile 属性来区分。
public class FileSystemNode {
private String path;
private boolean isFile;
private List<FileSystemNode> subNodes = new ArrayList<>();
public FileSystemNode(String path, boolean isFile) {
this.path = path;
this.isFile = isFile;
}
public int countNumOfFiles() {
if (isFile) {
return 1;
}
int numOfFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles();
}
return numOfFiles;
}
public long countSizeOfFiles() {
if (isFile) {
File file = new File(path);
if (!file.exists()) return 0;
return file.length();
}
long sizeofFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles();
}
return sizeofFiles;
}
public String getPath() {
return path;
}
public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
subNodes.add(fileOrDir);
}
public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
int size = subNodes.size();
int i = 0;
for (; i < size; ++i) {
if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) {
break;
}
if (i < size) {
subNodes.remove(i);
}
}
}
}
单纯从功能实现角度来说，上面的代码没有问题，已经实现了我们想要的功能。但是，如果我们开发的是一个大型系统，从扩展性（文件或目录可能会对应不同的操作）、业务建模（文件和目录从业务上是两个概念）、代码的可读性（文件和目录区分对待更加符合人们对业务的认知）的角度来说，我们最好对文件和目录进行区分设计，定义为 File 和 Directory两个类。
按照这个设计思路，我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示：
public abstract class FileSystemNode {
protected String path;
public FileSystemNode(String path) {
this.path = path;
}
public abstract int countNumOfFiles();
public abstract long countSizeOfFiles();
public String getPath() {
return path;
}
}
public class File extends FileSystemNode {
public File(String path) {
super(path);
}
@Override
public int countNumOfFiles() {
return 1;
}
@Override
public long countSizeOfFiles() {
java.io.File file = new java.io.File(path);
if (!file.exists()) return 0;
return file.length();
}
}
public class Directory extends FileSystemNode {
private List<FileSystemNode> subNodes = new ArrayList<>();
public Directory(String path) {
super(path);
}
@Override
public int countNumOfFiles() {
int numOfFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles();
}
return numOfFiles;
}
@Override
public long countSizeOfFiles() {
long sizeofFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles();
}
return sizeofFiles;
}
public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
subNodes.add(fileOrDir);
}
public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
int size = subNodes.size();
int i = 0;
for (; i < size; ++i) {
if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) {
break;
}
if (i < size) {
subNodes.remove(i);
}
}
}
}
文件和目录类都设计好了，我们来看，如何用它们来表示一个文件系统中的目录树结构。具体的代码示例如下所示：
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
/**
* /
* /wz/
* /wz/a.txt
* /wz/b.txt
* /wz/movies/
* /wz/movies/c.avi
* /xzg/
* /xzg/docs/
* /xzg/docs/d.txt
*/
Directory fileSystemTree = new Directory("/");
Directory node_wz = new Directory("/wz/");
Directory node_xzg = new Directory("/xzg/");
fileSystemTree.addSubNode(node_wz);
fileSystemTree.addSubNode(node_xzg);
File node_wz_a = new File("/wz/a.txt");
File node_wz_b = new File("/wz/b.txt");
Directory node_wz_movies = new Directory("/wz/movies/");
node_wz.addSubNode(node_wz_a);
node_wz.addSubNode(node_wz_b);
node_wz.addSubNode(node_wz_movies);
File node_wz_movies_c = new File("/wz/movies/c.avi");
node_wz_movies.addSubNode(node_wz_movies_c);
Directory node_xzg_docs = new Directory("/xzg/docs/");
node_xzg.addSubNode(node_xzg_docs);
File node_xzg_docs_d = new File("/xzg/docs/d.txt");
node_xzg_docs.addSubNode(node_xzg_docs_d);
System.out.println("/ files num:" + fileSystemTree.countNumOfFiles());
System.out.println("/wz/ files num:" + node_wz.countNumOfFiles());
}
}
我们对照着这个例子，再重新看一下组合模式的定义：“将一组对象（文件和目录）组织成树形结构，以表示一种‘部分 - 整体’的层次结构（目录与子目录的嵌套结构）。组合模式让客户端可以统一单个对象（文件）和组合对象（目录）的处理逻辑（递归遍历）。”
实际上，刚才讲的这种组合模式的设计思路，与其说是一种设计模式，倒不如说是对业务场景的一种数据结构和算法的抽象。其中，数据可以表示成树这种数据结构，业务需求可以通过在树上的递归遍历算法来实现。
2. 组合模式的应用场景举例
刚刚我们讲了文件系统的例子，对于组合模式，我这里再举一个例子。搞懂了这两个例子，你基本上就算掌握了组合模式。在实际的项目中，遇到类似的可以表示成树形结构的业务场景，你只要“照葫芦画瓢”去设计就可以了。
假设我们在开发一个 OA 系统（办公自动化系统）。公司的组织结构包含部门和员工两种数据类型。其中，部门又可以包含子部门和员工。在数据库中的表结构如下所示：
我们希望在内存中构建整个公司的人员架构图（部门、子部门、员工的隶属关系），并且提供接口计算出部门的薪资成本（隶属于这个部门的所有员工的薪资和）。
部门包含子部门和员工，这是一种嵌套结构，可以表示成树这种数据结构。计算每个部门的薪资开支这样一个需求，也可以通过在树上的遍历算法来实现。所以，从这个角度来看，这个应用场景可以使用组合模式来设计和实现。
这个例子的代码结构跟上一个例子的很相似，代码实现我直接贴在了下面，你可以对比着看一下。其中，HumanResource 是部门类（Department）和员工类（Employee）抽象出来的父类，为的是能统一薪资的处理逻辑。Demo 中的代码负责从数据库中读取数据并在内存中构建组织架构图。
public abstract class HumanResource {
protected long id;
protected double salary;
public HumanResource(long id) {
this.id = id;
}
public long getId() {
return id;
}
public abstract double calculateSalary();
}
public class Employee extends HumanResource {
public Employee(long id, double salary) {
super(id);
this.salary = salary;
}
@Override
public double calculateSalary() {
return salary;
}
}
public class Department extends HumanResource {
private List<HumanResource> subNodes = new ArrayList<>();
public Department(long id) {
super(id);
}
@Override
public double calculateSalary() {
double totalSalary = 0;
for (HumanResource hr : subNodes) {
totalSalary += hr.calculateSalary();
}
this.salary = totalSalary;
return totalSalary;
}
public void addSubNode(HumanResource hr) {
subNodes.add(hr);
}
}
// 构建组织架构的代码
public class Demo {
private static final long ORGANIZATION_ROOT_ID = 1001;
private DepartmentRepo departmentRepo; // 依赖注入
private EmployeeRepo employeeRepo; // 依赖注入
public void buildOrganization() {
Department rootDepartment = new Department(ORGANIZATION_ROOT_ID);
buildOrganization(rootDepartment);
}
private void buildOrganization(Department department) {
List<Long> subDepartmentIds = departmentRepo.getSubDepartmentIds(department)
for (Long subDepartmentId : subDepartmentIds) {
Department subDepartment = new Department(subDepartmentId);
department.addSubNode(subDepartment);
buildOrganization(subDepartment);
}
List<Long> employeeIds = employeeRepo.getDepartmentEmployeeIds(department.getId());
for (Long employeeId : employeeIds) {
double salary = employeeRepo.getEmployeeSalary(employeeId);
department.addSubNode(new Employee(employeeId, salary));
}
}
}
我们再拿组合模式的定义跟这个例子对照一下：“将一组对象（员工和部门）组织成树形结构，以表示一种‘部分 - 整体’的层次结构（部门与子部门的嵌套结构）。组合模式让客户端可以统一单个对象（员工）和组合对象（部门）的处理逻辑（递归遍历）。”