【结构型】树形结构的应用王者，组合模式

哪 吒2024-09-24 12:22

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在日常开发中，我们往往忽视了设计模式的重要性。这可能是因为项目时间紧迫，或者对设计模式理解不深。其实，很多时候我们可能在不经意间已经使用了某些模式。

重要的是要有意识地学习和应用，让代码更加优雅和高效。也许是时候重新审视我们的编程实践，将设计模式融入其中了。

今天由浅入深，重学【组合模式】，让我们一起"重学设计模式"。

一、组合模式

1、组合模式是什么？

组合模式（Composite Pattern）是一种结构型设计模式，它允许你将对象组合成树形结构来表示"部分-整体"的层次结构。组合模式使得用户可以像使用单个对象一样使用对象组合，简化了复杂结构的处理。

2、组合模式的主要参与者：

  1. Component（抽象组件）：定义了对象的接口，所有组合对象和叶子节点都应实现它。
  2. Leaf（叶子节点）：表示没有子节点的对象，即树的末端。
  3. Composite（组合对象）：表示拥有子节点的对象。它不仅实现了 Component 接口，还能够存储并管理其子节点。

二、优化案例：文件系统

文件系统是组合模式的经典案例。文件系统中的文件夹可以包含文件或其他文件夹。无论是文件还是文件夹，它们都应该有一些共同的行为，例如显示名称或计算大小。

1、不使用组合模式

如果不采用组合模式，代码将需要分别处理叶子节点（如文件）和组合对象（如文件夹），这会导致代码复杂性增加。没有统一的接口意味着文件和文件夹需要不同的处理逻辑，导致代码的重复和不易扩展。

每次添加新的文件类型或子文件夹时，都需要修改已有代码，增加文件和文件夹的处理逻辑，代码会变得难以维护和扩展。

  1. 冗余代码：Folder 类中有两个集合，一个存储文件，另一个存储子文件夹。由于没有通用接口，必须为文件和文件夹分别编写逻辑。
  2. 缺乏一致性：要操作文件和文件夹时，必须分别对待。例如，showDetails() 方法中，文件和文件夹需要分开处理，无法将它们统一成一个对象。
  3. 扩展性差：如果将来想要添加新的类型，比如符号链接、压缩文件等，必须分别为它们定义类，并在每个相关的逻辑中添加处理它们的代码。
java 复制代码 
public class File {

    private String name;
    private int size;

    public File(String name, int size) {
        this.name = name;
        this.size = size;
    }

    public void showDetails() {
        System.out.println("File: " + name + " (Size: " + size + " KB)");
    }
}

public class Folder {
    private String name;
    private List<File> files = new ArrayList<>();
    private List<Folder> subFolders = new ArrayList<>();

    public Folder(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void addFile(File file) {
        files.add(file);
    }

    public void addFolder(Folder folder) {
        subFolders.add(folder);
    }

    public void showDetails() {
        System.out.println("Folder: " + name);

        // 显示文件夹中的文件
        for (File file : files) {
            file.showDetails();
        }

        // 递归显示子文件夹中的内容
        for (Folder folder : subFolders) {
            folder.showDetails();
        }
    }
}

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        File file1 = new File("Document.txt", 50);
        File file2 = new File("Photo.jpg", 200);

        Folder folder = new Folder("MyFolder");
        folder.addFile(file1);
        folder.addFile(file2);


        File file3 = new File("test0.txt", 50);
        File file4 = new File("test1.jpg", 200);

        Folder folderRoot = new Folder("MyFolderRoot");
        folderRoot.addFile(file3);
        folderRoot.addFile(file4);

        folderRoot.addFolder(folder);

        folderRoot.showDetails();
    }
}

2、通过组合模式优化上面代码

在电子商务网站的产品目录中，可以通过组合模式管理产品和产品类别。每个产品（叶子节点）具有价格和描述，产品类别（组合对象）可以包含其他类别或产品。通过使用组合模式，可以简化查询价格、库存和类别层次的操作。

优化点：
  1. 简化层次结构：在系统中，产品与类别都遵循相同的接口，可以统一处理产品和类别。
  2. 灵活性：可以动态地增加或移除产品和类别，提高系统的可扩展性和维护性。

这个模式特别适合应用于具有递归或树形结构的场景。

文件和文件夹可以看作统一的组件，处理逻辑一致，新增类型时只需实现抽象接口，原有代码不需要修改。

java 复制代码 
/**
 * 抽象组件
 */
public abstract class FileSystemComponent {

    public abstract void showDetails();
}

/**
 * 叶子节点：文件
 */
public class File extends FileSystemComponent {

    private String name;
    private int size;

    public File(String name, int size) {
        this.name = name;
        this.size = size;
    }

    @Override
    public void showDetails() {
        System.out.println("File: " + name + " (Size: " + size + " KB)");
    }
}

/**
 * 组合对象：文件夹
 */
public class Folder extends FileSystemComponent {

    private String name;
    private List<FileSystemComponent> components = new ArrayList<>();

    public Folder(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void addComponent(FileSystemComponent component) {
        components.add(component);
    }

    @Override
    public void showDetails() {
        System.out.println("Folder: " + name);
        for (FileSystemComponent component : components) {
            component.showDetails();
        }
    }
}

public class CombinationClient {
    public static void main(String[] args) {
        FileSystemComponent file1 = new File("Document.txt", 50);
        FileSystemComponent file2 = new File("Photo.jpg", 200);

        Folder folder = new Folder("MyFolder");
        folder.addComponent(file1);
        folder.addComponent(file2);

        File file3 = new File("test0.txt", 50);
        File file4 = new File("test1.jpg", 200);

        Folder folderRoot = new Folder("MyFolderRoot");
        folderRoot.addComponent(file3);
        folderRoot.addComponent(file4);

        folderRoot.addComponent(folder);

        folderRoot.showDetails();
    }
}

三、使用组合模式有哪些优势

1、统一接口，简化客户端代码

组合模式为对象和对象组合提供了统一的接口，客户端可以一致地操作单个对象和组合对象，而不必区分它们是叶子还是组合。这种一致性减少了处理不同类型对象的复杂度，简化了代码。

2、递归结构处理方便

组合模式特别适合处理树形或递归结构，如文件系统、组织结构等。通过递归调用，可以轻松遍历整个结构（无论是文件还是文件夹），不必写不同的处理逻辑。

3、易扩展

新增叶子节点或组合对象时，只需实现相同的接口，不需要修改已有的代码。组合模式具有开放-封闭原则的优势，使系统更加灵活、易于扩展。

4、简化客户端操作

客户端不再需要关心对象的具体类型（叶子或组合），只需处理抽象组件。这使得代码更加简洁，也减少了错误处理的复杂性。

5、动态组合灵活

通过组合模式，可以动态地组合对象，而无需预先定义复杂的类结构。这为复杂对象提供了灵活的处理方式，使得系统结构更具弹性。

四、适用场景

  1. 树形结构（层次结构） ： 组合模式非常适用于需要表示"部分-整体"关系的场景，尤其是树形结构。例如，文件系统、组织结构图、产品目录树、菜单系统等。
    • 文件系统：文件和文件夹之间的层次关系可以通过组合模式来轻松管理。无论是单个文件，还是包含子文件夹的文件夹，都可以通过相同的方式处理。
    • 组织结构图：公司中员工和部门之间存在层次结构，员工可以属于某个部门，部门可以属于其他部门，通过组合模式，可以方便地管理和展示这种结构。
  2. GUI控件（图形用户界面）： GUI 组件经常包含其他组件，如按钮、窗口、面板等。组合模式可以用来管理这些图形控件，让它们统一处理。例如，一个窗口可能包含面板，面板中包含按钮和文本框，这些控件都可以通过相同的接口进行管理和渲染。
  3. 菜单系统： 菜单项可以包含子菜单，也可以是普通的菜单项。组合模式可以用于菜单系统的设计，使得菜单项和子菜单都实现相同的接口，从而简化菜单的显示和操作。
  4. 产品目录和分类管理： 电子商务网站中，产品可以属于某个类别，类别之间也有层次结构。组合模式可以用于管理产品和类别，通过统一接口可以轻松查询、操作或统计不同类别下的产品信息。
  5. 图形绘制系统： 在图形绘制系统中，复杂的图形可能是由多个简单图形组成的。组合模式允许将简单图形和复杂图形统一起来处理，方便实现图形的递归绘制和操作。
  6. 权限系统： 在权限管理中，角色和权限之间可能存在层次关系，一个角色可以拥有多个权限，权限可以包含子权限。组合模式可以用于简化权限系统的设计，使得权限的分配和管理更加灵活。
  7. 编译器中的抽象语法树（AST）： 编译器在解析源代码时，会生成抽象语法树（AST），其中每个节点可以是语法结构的一个元素（如表达式、语句等）。通过组合模式，编译器可以对这些节点进行统一处理，而不需要关心它们的具体类型。

五、组合模式的劣势

虽然组合模式有很多优势，但它也有一些潜在的劣势：

  1. 过度抽象：为了实现通用接口，可能导致系统设计过于抽象和复杂，尤其是在层次结构非常深的情况下，增加了理解和维护的难度。
  2. 性能问题：由于组合模式需要递归处理对象结构，在大规模、深层次的树形结构中，递归操作可能带来性能问题。
  3. 类型安全问题：组合模式统一了叶子节点和组合对象的接口，有时可能难以强制类型检查。例如，某些操作只对叶子节点有效，调用这些操作时可能需要额外的类型判断。

六、在jdk源码中，哪些地方应用了组合模式，代码举例说明一下

在JDK源码中，组合模式被广泛应用于处理树形或层次结构的数据结构和设计，最典型的例子之一是 java.awt 包中的 Component 类，以及集合框架中的 java.util 包。

以下是两个常见的应用场景：

1、AWT（Abstract Window Toolkit）中的组件树

在 java.awt 包中，Component 类和 Container 类使用了组合模式。Container 代表可以包含子组件的对象，而 Component 是一个抽象组件，代表所有的 GUI 元素。Container 既可以是单个组件（叶子），也可以是组合组件（容器），从而形成了一个树形的 GUI 组件层次结构。

（1）代码分析：
  1. Component 类是所有 GUI 元素的基类。
  2. Container 类是 Component 的子类，它可以包含多个子组件。
（2）JDK 源码中的示例（简化）：
java 复制代码 
// java.awt.Component
public abstract class Component {
    // 省略大量方法
    public void paint(Graphics g) {
        // 绘制组件的代码
    }
}

// java.awt.Container
public class Container extends Component {
    // 存储子组件
    private List<Component> componentList = new ArrayList<>();

    public void add(Component comp) {
        componentList.add(comp);
    }

    public void remove(Component comp) {
        componentList.remove(comp);
    }

    @Override
    public void paint(Graphics g) {
        super.paint(g);
        // 递归调用子组件的 paint 方法
        for (Component comp : componentList) {
            comp.paint(g);
        }
    }
}
（3）组合模式分析：
  1. Component 是一个抽象类，定义了所有组件的通用接口。
  2. Container 是一个组合对象，包含其他组件，并可以递归地管理和绘制这些组件。
  3. 在使用时，GUI 系统可以统一处理 Component 对象，不论它是叶子组件（如按钮、文本框），还是组合组件（如面板、窗口）。

2、集合框架中的 java.util 包

在 Java 集合框架中，List、Set、Map 等接口也使用了组合模式。集合类中既有可以直接存储元素的类（如 ArrayList、HashSet），也有可以组合其他集合的类（如 Collections.unmodifiableList、Collections.synchronizedList 等）。

（1）代码分析：
  1. List 接口是所有列表的通用接口。
  2. ArrayList 实现了 List 接口，代表叶子节点，可以直接存储元素。
  3. Collections.unmodifiableList 通过组合模式，将一个已有的列表封装起来，实现不可修改的列表。
（2）JDK 源码中的示例：
java 复制代码 
// java.util.List (接口)
public interface List<E> extends Collection<E> {
    // 定义列表的通用方法
    boolean add(E e);
    E get(int index);
    // 省略其他方法
}

// java.util.ArrayList (叶子节点)
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E> {
    private Object[] elementData;
    private int size;
    
    public ArrayList() {
        elementData = new Object[10];
    }

    @Override
    public boolean add(E e) {
        // 添加元素的逻辑
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    @Override
    public E get(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }
    // 省略其他方法
}

// java.util.Collections.unmodifiableList (组合对象)
public static <T> List<T> unmodifiableList(List<? extends T> list) {
    return new UnmodifiableList<>(list);
}

// 内部类，包装一个已有的 List
private static class UnmodifiableList<E> extends AbstractList<E> {
    private final List<? extends E> list;

    UnmodifiableList(List<? extends E> list) {
        this.list = Objects.requireNonNull(list);
    }

    @Override
    public E get(int index) {
        return list.get(index);
    }

    @Override
    public boolean add(E e) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}
（3）组合模式分析：
  1. List 接口是抽象组件，定义了所有列表操作的通用方法。
  2. ArrayList 是具体的叶子节点，可以直接存储和操作元素。
  3. UnmodifiableList 是一个组合对象，它通过包装另一个 List 实现不可修改的列表，并且与其他 List 一样实现了 List 接口。
  4. List 和 ArrayList 之间的关系符合组合模式：ArrayList 作为叶子节点实现了通用的 List 接口，而 UnmodifiableList 通过组合其他列表来扩展功能，形成了一个树形的结构。

3、小总结

组合模式在 JDK 中的应用主要体现在处理层次结构、递归结构的场景。AWT 中的 Component 和 Container 类，集合框架中的 List 接口及其实现，都采用了组合模式。通过这种设计，Java 提供了灵活而统一的接口，简化了对复杂对象结构的处理，同时保持了系统的可扩展性。

七、总结

组合模式（Composite Pattern）是一种结构型设计模式，适用于将对象组合成树形结构来表示"部分-整体"的层次关系。它允许用户像使用单个对象一样操作对象组合，简化了复杂结构的处理。组合模式的主要参与者包括抽象组件（Component），叶子节点（Leaf），和组合对象（Composite）。每个组件通过统一接口，支持递归处理子节点，使得系统更加灵活、易扩展。

以文件系统为例，文件夹可以包含文件或其他文件夹。在不使用组合模式时，文件和文件夹必须分别处理，导致代码复杂性增加且扩展性差。通过组合模式，可以使用统一的接口管理文件和文件夹，简化层次结构并增强系统的扩展性和灵活性。

组合模式在JDK源码中有广泛应用，如 java.awt 中的组件树（Component 和 Container 类），以及集合框架中的 List、ArrayList 和 Collections.unmodifiableList。这些类通过组合模式处理递归结构和对象组合，使得操作统一、灵活。

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