组合模式：统一处理树形结构的优雅设计
今天我们来深入探讨组合模式（Composite Pattern），一种结构型设计模式，用于将对象组织成树形结构，并以统一的方式处理单个对象和组合对象。组合模式通过让叶节点和容器节点实现同一接口，简化客户端对复杂结构的访问。本文将带你实现一个简单的组合模式示例，适合初学者快速上手，同时为有经验的开发者提供进阶建议和优化思路。
组合模式在现实生活中类似文件系统，文件和文件夹都可统一操作。本文使用 Java 语言，通过一个文件系统管理的场景展示组合模式的实现。让我们开始吧！
前置准备
在开始之前，确保开发环境已就绪：
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JDK：推荐 JDK 17（也可使用 JDK 8+）。
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IDE：IntelliJ IDEA、Eclipse 或 VS Code，推荐支持 Java 的 IDE。
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构建工具：Maven（可选，用于管理依赖）。
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项目结构 ：创建一个简单的 Java 项目，目录如下：
composite-pattern-demo ├── src │ ├── main │ │ ├── java │ │ │ └── com.example.composite │ │ │ ├── component │ │ │ ├── leaf │ │ │ ├── composite │ │ │ └── Main.java │ └── test └── pom.xml
安装环境：
- 确保 JDK 已安装：
java -version. - Maven（可选）：
mvn -version. - 无需额外依赖，本示例使用纯 Java。
步骤 1: 定义组件接口
组合模式需要一个抽象组件接口，统一叶节点和组合节点的接口。在 com.example.composite.component.FileSystemComponent 中：
java
package com.example.composite.component;
public interface FileSystemComponent {
void display(int indent);
double getSize();
}说明：
FileSystemComponent定义文件系统操作，display显示结构，getSize返回大小。
步骤 2: 创建叶节点
实现具体文件类（叶节点）。在 com.example.composite.leaf.File 中：
java
package com.example.composite.leaf;
import com.example.composite.component.FileSystemComponent;
public class File implements FileSystemComponent {
private final String name;
private final double size;
public File(String name, double size) {
this.name = name;
this.size = size;
}
@Override
public void display(int indent) {
System.out.println(" ".repeat(indent) + "- File: " + name + " (" + size + " KB)");
}
@Override
public double getSize() {
return size;
}
}说明：
File是叶节点，表示单个文件，提供名称和大小。
步骤 3: 创建组合节点
实现文件夹类（组合节点），可包含文件或其他文件夹。在 com.example.composite.composite.Directory 中：
java
package com.example.composite.composite;
import com.example.composite.component.FileSystemComponent;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Directory implements FileSystemComponent {
private final String name;
private final List<FileSystemComponent> components = new ArrayList<>();
public Directory(String name) {
this.name = name;
}
public void addComponent(FileSystemComponent component) {
components.add(component);
}
public void removeComponent(FileSystemComponent component) {
components.remove(component);
}
@Override
public void display(int indent) {
System.out.println(" ".repeat(indent) + "+ Directory: " + name);
for (FileSystemComponent component : components) {
component.display(indent + 1);
}
}
@Override
public double getSize() {
double totalSize = 0;
for (FileSystemComponent component : components) {
totalSize += component.getSize();
}
return totalSize;
}
}说明：
Directory是组合节点，管理子节点（文件或文件夹）。addComponent和removeComponent管理子节点。getSize递归计算总大小。
步骤 4: 客户端代码
在 com.example.composite.Main 中测试组合模式：
java
package com.example.composite;
import com.example.composite.composite.Directory;
import com.example.composite.leaf.File;
import com.example.composite.component.FileSystemComponent;
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 创建文件
FileSystemComponent file1 = new File("document.txt", 100);
FileSystemComponent file2 = new File("image.jpg", 200);
// 创建文件夹
Directory documents = new Directory("Documents");
documents.addComponent(file1);
Directory pictures = new Directory("Pictures");
pictures.addComponent(file2);
Directory root = new Directory("Root");
root.addComponent(documents);
root.addComponent(pictures);
// 显示文件系统结构
root.display(0);
// 计算总大小
System.out.println("Total size: " + root.getSize() + " KB");
}
}运行输出：
+ Directory: Root
+ Directory: Documents
- File: document.txt (100.0 KB)
+ Directory: Pictures
- File: image.jpg (200.0 KB)
Total size: 300.0 KB步骤 5: 运行和测试
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编译和运行：
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在 IDE 中运行
Main类。 -
或使用命令行：
bashjavac src/main/java/com/example/composite/*.java src/main/java/com/example/composite/*/*.java java com.example.composite.Main
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测试用例：
- 验证文件和文件夹的树形结构显示正确。
- 验证总大小计算准确。
- 测试动态添加/删除节点（如
documents.removeComponent(file1)）。
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调试技巧：
- 添加日志：使用
System.out或 SLF4J 记录节点操作。 - 检查树结构：在调试器中验证
components列表。 - 异常处理：检查无效输入（如负大小）。
- 添加日志：使用
进阶与最佳实践
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扩展功能：
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添加文件类型限制：
javapublic void addComponent(FileSystemComponent component) { if (component == null) { throw new IllegalArgumentException("Component cannot be null"); } components.add(component); }
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递归优化：
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缓存文件夹大小：
javaprivate Double cachedSize = null; @Override public double getSize() { if (cachedSize == null) { cachedSize = components.stream().mapToDouble(FileSystemComponent::getSize).sum(); } return cachedSize; }
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测试：
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使用 JUnit 编写单元测试：
javaimport org.junit.Test; import static org.junit.Assert.*; public class CompositeTest { @Test public void testDirectorySize() { Directory dir = new Directory("Test"); dir.addComponent(new File("test.txt", 100)); dir.addComponent(new File("test.jpg", 200)); assertEquals(300.0, dir.getSize(), 0.01); } }
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其他应用场景：
- 图形界面：统一处理控件和控件组（如按钮和面板）。
- 组织结构：表示公司部门和员工的树形关系。
- 菜单系统：处理菜单项和子菜单。
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资源推荐：书籍《设计模式：可复用面向对象软件的基础》、Refactoring Guru 网站。多实践其他设计模式（如桥接模式、装饰者模式）。
总结
通过这个组合模式示例，你学会了如何统一处理树形结构，实现了文件系统的层级管理和操作。组合模式在需要处理复杂层级结构时非常实用，广泛应用于文件系统、GUI 组件和组织架构设计。