GOF設計模式-對象結構型模式-組合模式

樹形結構的處理-組合模式

樹形結構在軟件中隨處可見，例如操作系統中的目錄結構、應用軟件中的菜單、辦公系統中 的公司組織結構等等，如何運用面向對象的方式來處理這種樹形結構是組合模式需要解決的 問題，組合模式通過一種巧妙的設計方案使得用戶可以一致性地處理整個樹形結構或者樹形 結構的一部分，也可以一致性地處理樹形結構中的葉子節點（不包含子節點的節點）和容器 節點（包含子節點的節點）。下面將學習這種用於處理樹形結構的組合模式。

舉個栗子：

Sunny軟件公司欲開發一個殺毒(AntiVirus)軟件，該軟件既可以對某個文件夾(Folder)殺毒，也 可以對某個指定的文件(File)進行殺毒。該殺毒軟件還可以根據各類文件的特點，爲不同類型 的文件提供不同的殺毒方式，例如圖像文件(ImageFile)和文本文件(TextFile)的殺毒方式就有所 差異。現需要提供該殺毒軟件的整體框架設計方案。

文件樹形目錄結構：

我們可以看出，圖中包含文件（灰色節點）和文件夾（白色節點）兩類不同的元素，其 中在文件夾中可以包含文件，還可以繼續包含子文件夾，但是在文件中不能再包含子文件或 者子文件夾。在此，我們可以稱文件夾爲容器(Container)，而不同類型的各種文件是其成員， 也稱爲葉子(Leaf)，一個文件夾也可以作爲另一個更大的文件夾的成員。如果我們現在要對某 一個文件夾進行操作，如查找文件，那麼需要對指定的文件夾進行遍歷，如果存在子文件夾 則打開其子文件夾繼續遍歷，如果是文件則判斷之後返回查找結果。

軟件公司的開發人員通過分析，決定使用面向對象的方式來實現對文件和文件夾的操 作，定義瞭如下圖像文件類ImageFile、文本文件類TextFile和文件夾類Folder： （反面教材）

//爲了突出核心框架代碼，我們對殺毒過程的實現進行了大量簡化 
import java.util.*;
//圖像文件類 
class ImageFile {
    private String name;
    public ImageFile(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void killVirus() {
        //簡化代碼，模擬殺毒 
        System.out.println("----對圖像文件'" + name + "'進行殺毒");
    }
}
//文本文件類 
class TextFile {
    private String name;
    public TextFile(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void killVirus() {
        //簡化代碼，模擬殺毒 
        System.out.println("----對文本文件'" + name + "'進行殺毒");
    }
}
//文件夾類 
class Folder {
    private String name;
    //定義集合folderList，用於存儲Folder類型的成員 
    private ArrayList<Folder> folderList = new ArrayList<Folder>();
    //定義集合imageList，用於存儲ImageFile類型的成員 
    private ArrayList<ImageFile> imageList = new ArrayList<ImageFile>();
    //定義集合textList，用於存儲TextFile類型的成員 
    private ArrayList<TextFile> textList = new ArrayList<TextFile>();
    public Folder(String name) {
        this.name = name;
    }
    //增加新的Folder類型的成員 
    public void addFolder(Folder f) {
        folderList.add(f);
    }
    //增加新的ImageFile類型的成員 
    public void addImageFile(ImageFile image) {
        imageList.add(image);
    }
    //增加新的TextFile類型的成員 
    public void addTextFile(TextFile text) {
        textList.add(text);
    }
    //需提供三個不同的方法removeFolder()、removeImageFile()和removeTextFile()來刪除成員
//需提供三個不同的方法getChildFolder(int i)、getChildImageFile(int i)和getChildTex
    public void killVirus() {
        System.out.println("****對文件夾'" + name + "'進行殺毒");    //模擬殺毒
//如果是Folder類型的成員，遞歸調用Folder的killVirus()方法 
        for (Object obj : folderList) {
            ((Folder) obj).killVirus();
        }
//如果是ImageFile類型的成員，調用ImageFile的killVirus()方法 
        for (Object obj : imageList) {
            ((ImageFile) obj).killVirus();
        }
//如果是TextFile類型的成員，調用TextFile的killVirus()方法 
        for (Object obj : textList) {
            ((TextFile) obj).killVirus();
        }
    }
}
//編寫如下客戶端測試代碼進行測試：
class Client {
    public static void main(String args[]) {
        Folder folder1, folder2, folder3;
        folder1 = new Folder("Sunny的資料");
        folder2 = new Folder("圖像文件");
        folder3 = new Folder("文本文件");
        ImageFile image1, image2;
        image1 = new ImageFile("小龍女.jpg");
        image2 = new ImageFile("張無忌.gif");
        TextFile text1, text2;
        text1 = new TextFile("九陰真經.txt");
        text2 = new TextFile("葵花寶典.doc");
        folder2.addImageFile(image1);
        folder2.addImageFile(image2);
        folder3.addTextFile(text1);
        folder3.addTextFile(text2);
        folder1.addFolder(folder2);
        folder1.addFolder(folder3);
        folder1.killVirus();
    }
}        

 

 

編譯並運行程序，輸出結果如下：
****對文件夾'Sunny的資料'進行殺毒 ****對文件夾'圖像文件'進行殺毒 ----對圖像文件'小龍女.jpg'進行殺毒 ----對圖像文件'張無忌.gif'進行殺毒 ****對文件夾'文本文件'進行殺毒 ----對文本文件'九陰真經.txt'進行殺毒 ----對文本文件'葵花寶典.doc'進行殺毒
Sunny公司開發人員“成功”實現了殺毒軟件的框架設計，但通過仔細分析，發現該設計方案存 在如下問題：
(1) 文件夾類Folder的設計和實現都非常複雜，需要定義多個集合存儲不同類型的成員，而且 需要針對不同的成員提供增加、刪除和獲取等管理和訪問成員的方法，存在大量的冗餘代 碼，系統維護較爲困難；

(2) 由於系統沒有提供抽象層，客戶端代碼必須有區別地對待充當容器的文件夾Folder和充當 葉子的ImageFile和TextFile，無法統一對它們進行處理；
(3) 系統的靈活性和可擴展性差，如果需要增加新的類型的葉子和容器都需要對原有代碼進行 修改，例如如果需要在系統中增加一種新類型的視頻文件VideoFile，則必須修改Folder類的源 代碼，否則無法在文件夾中添加視頻文件。
面對以上問題，Sunny軟件公司的開發人員該如何來解決？這就需要用到本章將要介紹的組合 模式，組合模式爲處理樹形結構提供了一種較爲完美的解決方案，它描述瞭如何將容器和葉 子進行遞歸組合，使得用戶在使用時無須對它們進行區分，可以一致地對待容器和葉子。

 

組合模式概述：

對於樹形結構，當容器對象（如文件夾）的某一個方法被調用時，將遍歷整個樹形結構，尋 找也包含這個方法的成員對象（可以是容器對象，也可以是葉子對象）並調用執行，牽一而 動百，其中使用了遞歸調用的機制來對整個結構進行處理。由於容器對象和葉子對象在功能 上的區別，在使用這些對象的代碼中必須有區別地對待容器對象和葉子對象，而實際上大多 數情況下我們希望一致地處理它們，因爲對於這些對象的區別對待將會使得程序非常複雜。 組合模式爲解決此類問題而誕生，它可以讓葉子對象和容器對象的使用具有一致性。
組合模式定義如下：
組合模式(Composite Pattern)：組合多個對象形成樹形結構以表示具有“整體—部分”關係的層 次結構。組合模式對單個對象（即葉子對象）和組合對象（即容器對象）的使用具有一致 性，組合模式又可以稱爲“整體—部分”(Part-Whole)模式，它是一種對象結構型模式。
在組合模式中引入了抽象構件類Component，它是所有容器類和葉子類的公共父類，客戶端針 對Component進行編程。

 

在組合模式結構圖中包含如下幾個角色：
● Component（抽象構件）：它可以是接口或抽象類，爲葉子構件和容器構件對象聲明接口， 在該角色中可以包含所有子類共有行爲的聲明和實現。在抽象構件中定義了訪問及管理它的

子構件的方法，如增加子構件、刪除子構件、獲取子構件等。
● Leaf（葉子構件）：它在組合結構中表示葉子節點對象，葉子節點沒有子節點，它實現了在 抽象構件中定義的行爲。對於那些訪問及管理子構件的方法，可以通過異常等方式進行處 理。
● Composite（容器構件）：它在組合結構中表示容器節點對象，容器節點包含子節點，其子 節點可以是葉子節點，也可以是容器節點，它提供一個集合用於存儲子節點，實現了在抽象 構件中定義的行爲，包括那些訪問及管理子構件的方法，在其業務方法中可以遞歸調用其子 節點的業務方法。

組合模式的關鍵是定義了一個抽象構件類，它既可以代表葉子，又可以代表容器，而客戶端 針對該抽象構件類進行編程，無須知道它到底表示的是葉子還是容器，可以對其進行統一處 理。同時容器對象與抽象構件類之間還建立一個聚合關聯關係，在容器對象中既可以包含葉 子，也可以包含容器，以此實現遞歸組合，形成一個樹形結構。
如果不使用組合模式，客戶端代碼將過多地依賴於容器對象複雜的內部實現結構，容器對象 內部實現結構的變化將引起客戶代碼的頻繁變化，帶來了代碼維護複雜、可擴展性差等弊 端。組合模式的引入將在一定程度上解決這些問題。

完整的解決方案：

 

爲了讓系統具有更好的靈活性和可擴展性，客戶端可以一致地對待文件和文件夾，Sunny公司 開發人員使用組合模式來進行殺毒軟件的框架設計，其基本結構如圖：

 AbstractFile充當抽象構件類，Folder充當容器構件類，ImageFile、TextFile和 VideoFile充當葉子構件類。完整代碼如下所示：

import java.util.*;

//抽象文件類：抽象構件
abstract class AbstractFile {
    public abstract void add(AbstractFile file);

    public abstract void remove(AbstractFile file);

    public abstract AbstractFile getChild(int i);

    public abstract void killVirus();
}

//圖像文件類：葉子構件
class ImageFile extends AbstractFile {
    private String name;

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

    public void add(AbstractFile file) {
        System.out.println("對不起，不支持該方法！");
    }

    public void remove(AbstractFile file) {
        System.out.println("對不起，不支持該方法！");
    }

    public AbstractFile getChild(int i) {
        System.out.println("對不起，不支持該方法！");
        return null;
    }

    public void killVirus() {
//模擬殺毒
 System.out.println("----對圖像文件'" + name + "'進行殺毒");
    }
}

//文本文件類：葉子構件
class TextFile extends AbstractFile {
    private String name;

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

    public void add(AbstractFile file) {
        System.out.println("對不起，不支持該方法！");
    }

    public void remove(AbstractFile file) {
        System.out.println("對不起，不支持該方法！");
    }

    public AbstractFile getChild(int i) {
        System.out.println("對不起，不支持該方法！");
        return null;
    }

    public void killVirus() {
//模擬殺毒
 System.out.println("----對文本文件'" + name + "'進行殺毒");
    }
}

//視頻文件類：葉子構件
class VideoFile extends AbstractFile {
    private String name;

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

    public void add(AbstractFile file) {
        System.out.println("對不起，不支持該方法！");
    }

    public void remove(AbstractFile file) {
        System.out.println("對不起，不支持該方法！");
    }

    public AbstractFile getChild(int i) {
        System.out.println("對不起，不支持該方法！");
        return null;
    }

    public void killVirus() {
//模擬殺毒
 System.out.println("----對視頻文件'" + name + "'進行殺毒");
    }
}

//文件夾類：容器構件
class Folder extends AbstractFile {
    //定義集合fileList，用於存儲AbstractFile類型的成員
 private ArrayList<AbstractFile> fileList = new ArrayList<AbstractFile>();
    private String name;

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

    public void add(AbstractFile file) {
        fileList.add(file);
    }

    public void remove(AbstractFile file) {
        fileList.remove(file);
    }

    public AbstractFile getChild(int i) {
        return (AbstractFile) fileList.get(i);
    }

    public void killVirus() {
        System.out.println("****對文件夾'" + name + "'進行殺毒");        //模擬殺毒
//遞歸調用成員構件的killVirus()方法
 for (Object obj : fileList) {
            ((AbstractFile) obj).killVirus();
        }
    }
}

//編寫如下客戶端測試代碼：
class Client {
    public static void main(String args[]) {
//針對抽象構件編程
 AbstractFile file1, file2, file3, file4, file5, folder1, folder2, folder3, folder4;
        folder1 = new Folder("Sunny的資料");
        folder2 = new Folder("圖像文件");
        folder3 = new Folder("文本文件");
        folder4 = new Folder("視頻文件");
        file1 = new ImageFile("小龍女.jpg");
        file2 = new ImageFile("張無忌.gif");
        file3 = new TextFile("九陰真經.txt");
        file4 = new TextFile("葵花寶典.doc");
        file5 = new VideoFile("笑傲江湖.rmvb");
        folder2.add(file1);
        folder2.add(file2);
        folder3.add(file3);
        folder3.add(file4);
        folder4.add(file5);
        folder1.add(folder2);
        folder1.add(folder3);
        folder1.add(folder4);
        //從“Sunny的資料”節點開始進行殺毒操作
 folder1.killVirus();
    }
}

編譯並運行程序，輸出結果如下：
****對文件夾'Sunny的資料'進行殺毒

****對文件夾'圖像文件'進行殺毒

 ----對圖像文件'小龍女.jpg'進行殺毒

----對圖像文件'張無忌.gif'進行殺毒

 ****對文件夾'文本文件'進行殺毒

----對文本文件'九陰真經.txt'進行殺毒

 ----對文本文件'葵花寶典.doc'進行殺毒

****對文件夾'視頻文件'進行殺毒

----對視頻文件'笑傲江湖.rmvb'進行殺毒

由於在本實例中使用了組合模式，在抽象構件類中聲明瞭所有方法，包括用於管理和訪問子 構件的方法，如add()方法和remove()方法等，因此在ImageFile等葉子構件類中實現這些方法時 必須進行相應的異常處理或錯誤提示。在容器構件類Folder的killVirus()方法中將遞歸調用其成 員對象的killVirus()方法，從而實現對整個樹形結構的遍歷。
如果需要更換操作節點，例如只需對文件夾“文本文件”進行殺毒，客戶端代碼只需修改一行即 可，將
代碼：
folder1.killVirus();
改爲：
folder3.killVirus();
輸出結果如下：
****對文件夾'文本文件'進行殺毒 ----對文本文件'九陰真經.txt'進行殺毒 ----對文本文件'葵花寶典.doc'進行殺毒
在具體實現時，我們可以創建圖形化界面讓用戶選擇所需操作的根節點，無須修改源代碼， 符合“開閉原則”，客戶端無須關心節點的層次結構，可以對所選節點進行統一處理，提高系統 的靈活性。

組合模式總結

 

組合模式使用面向對象的思想來實現樹形結構的構建與處理，描述瞭如何將容器對象和葉子 對象進行遞歸組合，實現簡單，靈活性好。由於在軟件開發中存在大量的樹形結構，因此組 合模式是一種使用頻率較高的結構型設計模式。

 

組合模式的主要優點如下：

(1) 組合模式可以清楚地定義分層次的複雜對象，表示對象的全部或部分層次，它讓客戶端忽 略了層次的差異，方便對整個層次結構進行控制。

(2) 客戶端可以一致地使用一個組合結構或其中單個對象，不必關心處理的是單個對象還是整 個組合結構，簡化了客戶端代碼。

(3) 在組合模式中增加新的容器構件和葉子構件都很方便，無須對現有類庫進行任何修改，符 合“開閉原則”。

(4) 組合模式爲樹形結構的面向對象實現提供了一種靈活的解決方案，通過葉子對象和容器對 象的遞歸組合，可以形成複雜的樹形結構，但對樹形結構的控制卻非常簡單。

組合模式的主要缺點如下：

在增加新構件時很難對容器中的構件類型進行限制。有時候我們希望一個容器中只能有某些 特定類型的對象，例如在某個文件夾中只能包含文本文件，使用組合模式時，不能依賴類型 系統來施加這些約束，因爲它們都來自於相同的抽象層，在這種情況下，必須通過在運行時 進行類型檢查來實現，這個實現過程較爲複雜。

 

 在以下情況下可以考慮使用組合模式：

(1) 在具有整體和部分的層次結構中，希望通過一種方式忽略整體與部分的差異，客戶端可以 一致地對待它們。

(2) 在一個使用面嚮對象語言開發的系統中需要處理一個樹形結構。

(3) 在一個系統中能夠分離出葉子對象和容器對象，而且它們的類型不固定，需要增加一些新 的類型。