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六、合成模式（Composite Pattern）
合成模式属于对象的结构模式，又叫做“部分——整体”模式。合成模式将对象组织到树结构中，可以用来描述整体与部分的关系。合成模式可以使客户端将单纯元素与复合元素同等看待。
比如，一个文件系统就是一个典型的合成模式系统。下图是常见的计算机XP文件系统的一部分。
从上图可以看出，文件系统是一个树结构，树上长有节点。树的节点有两种，一种是树枝节点，即目录，有内部树结构，在图中涂有颜色；另一种是文件，即树叶节点，没有内部树结构。显然，可以把目录和文件当做同一种对象同等对待和处理，这也就是合成模式的应用。
合成模式可以不提供父对象的管理方法，但是合成模式必须在合适的地方提供子对象的管理方法，诸如：add()、remove()、以及getChild()等。
合成模式的实现根据所实现接口的区别分为两种形式，分别称为安全式和透明式。
6.1、安全式合成模式
安全模式的合成模式要求管理聚集的方法只出现在树枝构件类中，而不出现在树叶构件类中。
这种形式涉及到三个角色：
●抽象构件(Component)角色：这是一个抽象角色，它给参加组合的对象定义出公共的接口及其默认行为，可以用来管理所有的子对象。合成对象通常把它所包含的子对象当做类型为Component的对象。在安全式的合成模式里，构件角色并不定义出管理子对象的方法，这一定义由树枝构件对象给出。
●树叶构件(Leaf)角色：树叶对象是没有下级子对象的对象，定义出参加组合的原始对象的行为。
●树枝构件(Composite)角色：代表参加组合的有下级子对象的对象。树枝构件类给出所有的管理子对象的方法，如add()、remove()以及getChild()。
抽象构件角色类
public interface Component {
/**
* 输出组建自身的名称
*/
public void printStruct(String preStr);
}
树枝构件角色类
public class Composite implements Component {
//用来存储组合对象中包含的子组件对象
private List<Component> childComponents = new ArrayList<Component>();
//组合对象的名字
private String name;
/**
* 构造方法，传入组合对象的名字
* @param name 组合对象的名字
*/
public Composite(String name){
this.name = name;
}
/**
* 聚集管理方法，增加一个子构件对象
* @param child 子构件对象
*/
public void addChild(Component child){
childComponents.add(child);
}
/**
* 聚集管理方法，删除一个子构件对象
* @param index 子构件对象的下标
*/
public void removeChild(int index){
childComponents.remove(index);
}
/**
* 聚集管理方法，返回所有子构件对象
*/
public List<Component> getChild(){
return childComponents;
}
/**
* 输出对象的自身结构
* @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接空格，实现向后缩进
*/
@Override
public void printStruct(String preStr) {
// 先把自己输出
System.out.println(preStr + "+" + this.name);
//如果还包含有子组件，那么就输出这些子组件对象
if(this.childComponents != null){
//添加两个空格，表示向后缩进两个空格
preStr += " ";
//输出当前对象的子对象
for(Component c : childComponents){
//递归输出每个子对象
c.printStruct(preStr);
}
}
}
}
树叶构件角色类
public class Composite implements Component {
//用来存储组合对象中包含的子组件对象
private List<Component> childComponents = new ArrayList<Component>();
//组合对象的名字
private String name;
/**
* 构造方法，传入组合对象的名字
* @param name 组合对象的名字
*/
public Composite(String name){
this.name = name;
}
/**
* 聚集管理方法，增加一个子构件对象
* @param child 子构件对象
*/
public void addChild(Component child){
childComponents.add(child);
}
/**
* 聚集管理方法，删除一个子构件对象
* @param index 子构件对象的下标
*/
public void removeChild(int index){
childComponents.remove(index);
}
/**
* 聚集管理方法，返回所有子构件对象
*/
public List<Component> getChild(){
return childComponents;
}
/**
* 输出对象的自身结构
* @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接空格，实现向后缩进
*/
@Override
public void printStruct(String preStr) {
// 先把自己输出
System.out.println(preStr + "+" + this.name);
//如果还包含有子组件，那么就输出这些子组件对象
if(this.childComponents != null){
//添加两个空格，表示向后缩进两个空格
preStr += " ";
//输出当前对象的子对象
for(Component c : childComponents){
//递归输出每个子对象
c.printStruct(preStr);
}
}
}
}
树叶构件角色类
public class Leaf implements Component {
/**
* 叶子对象的名字
*/
private String name;
/**
* 构造方法，传入叶子对象的名称
* @param name 叶子对象的名字
*/
public Leaf(String name){
this.name = name;
}
/**
* 输出叶子对象的结构，叶子对象没有子对象，也就是输出叶子对象的名字
* @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接的空格，实现向后缩进
*/
@Override
public void printStruct(String preStr) {
System.out.println(preStr + "-" + name);
}
}
客户端类
public class Client {
public static void main(String[]args){
Composite root = new Composite("服装");
Composite c1 = new Composite("男装");
Composite c2 = new Composite("女装");
Leaf leaf1 = new Leaf("衬衫");
Leaf leaf2 = new Leaf("夹克");
Leaf leaf3 = new Leaf("裙子");
Leaf leaf4 = new Leaf("套装");
root.addChild(c1);
root.addChild(c2);
c1.addChild(leaf1);
c1.addChild(leaf2);
c2.addChild(leaf3);
c2.addChild(leaf4);
root.printStruct("");
}
}
可以看出，树枝构件类(Composite)给出了addChild()、removeChild()以及getChild()等方法的声明和实现，而树叶构件类则没有给出这些方法的声明或实现。这样的做法是安全的做法，由于这个特点，客户端应用程序不可能错误地调用树叶构件的聚集方法，因为树叶构件没有这些方法，调用会导致编译错误。安全式合成模式的缺点是不够透明，因为树叶类和树枝类将具有不同的接口。
6.2、透明式合成模式结构
与安全式的合成模式不同的是，透明式的合成模式要求所有的具体构件类，不论树枝构件还是树叶构件，均符合一个固定接口。
抽象构件角色类
public abstract class Component {
/**
* 输出组建自身的名称
*/
public abstract void printStruct(String preStr);
/**
* 聚集管理方法，增加一个子构件对象
* @param child 子构件对象
*/
public void addChild(Component child){
/**
* 缺省实现，抛出异常，因为叶子对象没有此功能
* 或者子组件没有实现这个功能
*/
throw new UnsupportedOperationException("对象不支持此功能");
}
/**
* 聚集管理方法，删除一个子构件对象
* @param index 子构件对象的下标
*/
public void removeChild(int index){
/**
* 缺省实现，抛出异常，因为叶子对象没有此功能
* 或者子组件没有实现这个功能
*/
throw new UnsupportedOperationException("对象不支持此功能");
}
/**
* 聚集管理方法，返回所有子构件对象
*/
public List<Component> getChild(){
/**
* 缺省实现，抛出异常，因为叶子对象没有此功能
* 或者子组件没有实现这个功能
*/
throw new UnsupportedOperationException("对象不支持此功能");
}
}
树枝构件角色类，此类将implements Conponent改为extends Conponent，其他地方无变化。
public class Composite extends Component {
/**
* 用来存储组合对象中包含的子组件对象
*/
private List<Component> childComponents = new ArrayList<Component>();
/**
* 组合对象的名字
*/
private String name;
/**
* 构造方法，传入组合对象的名字
* @param name 组合对象的名字
*/
public Composite(String name){
this.name = name;
}
/**
* 聚集管理方法，增加一个子构件对象
* @param child 子构件对象
*/
public void addChild(Component child){
childComponents.add(child);
}
/**
* 聚集管理方法，删除一个子构件对象
* @param index 子构件对象的下标
*/
public void removeChild(int index){
childComponents.remove(index);
}
/**
* 聚集管理方法，返回所有子构件对象
*/
public List<Component> getChild(){
return childComponents;
}
/**
* 输出对象的自身结构
* @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接空格，实现向后缩进
*/
@Override
public void printStruct(String preStr) {
// 先把自己输出
System.out.println(preStr + "+" + this.name);
//如果还包含有子组件，那么就输出这些子组件对象
if(this.childComponents != null){
//添加两个空格，表示向后缩进两个空格
preStr += " ";
//输出当前对象的子对象
for(Component c : childComponents){
//递归输出每个子对象
c.printStruct(preStr);
}
}
}
}
树叶构件角色类，此类将implements Conponent改为extends Conponent，其他地方无变化。
public class Leaf extends Component {
/**
* 叶子对象的名字
*/
private String name;
/**
* 构造方法，传入叶子对象的名称
* @param name 叶子对象的名字
*/
public Leaf(String name){
this.name = name;
}
/**
* 输出叶子对象的结构，叶子对象没有子对象，也就是输出叶子对象的名字
* @param preStr 前缀，主要是按照层级拼接的空格，实现向后缩进
*/
@Override
public void printStruct(String preStr) {
// TODO Auto-generated method stub
System.out.println(preStr + "-" + name);
}
}
客户端类的主要变化是不再区分Composite对象和Leaf对象。
public class Client {
public static void main(String[]args){
Component root = new Composite("服装");
Component c1 = new Composite("男装");
Component c2 = new Composite("女装");
Component leaf1 = new Leaf("衬衫");
Component leaf2 = new Leaf("夹克");
Component leaf3 = new Leaf("裙子");
Component leaf4 = new Leaf("套装");
root.addChild(c1);
root.addChild(c2);
c1.addChild(leaf1);
c1.addChild(leaf2);
c2.addChild(leaf3);
c2.addChild(leaf4);
root.printStruct("");
}
}
可以看出，客户端无需再区分操作的是树枝对象(Composite)还是树叶对象(Leaf)了；对于客户端而言，操作的都是Component对象。
6.3、两种模式的选择
-
这里所说的安全性合成模式是指：从客户端使用合成模式上看是否更安全，如果是安全的，那么就不会有发生误操作的可能，能访问的方法都是被支持的。
-
这里所说的透明性合成模式是指：从客户端使用合成模式上，是否需要区分到底是“树枝对象”还是“树叶对象”。如果是透明的，那就不用区分，对于客户而言，都是Compoent对象，具体的类型对于客户端而言是透明的，是无须关心的。
对于合成模式而言，在安全性和透明性上，会更看重透明性，毕竟合成模式的目的是：让客户端不再区分操作的是树枝对象还是树叶对象，而是以一个统一的方式来操作。
而且对于安全性的实现，需要区分是树枝对象还是树叶对象。有时候，需要将对象进行类型转换，却发现类型信息丢失了，只好强行转换，这种类型转换必然是不够安全的。
因此在使用合成模式的时候，建议多采用透明性的实现方式。
6.4、优点和缺点
优点：
-
合成模式可以清楚地定义分层次的复杂对象，表示对象的全部或部分层次，它让客户端忽略了层次的差异，方便对整个层次结构进行控制。
-
客户端可以一致地使用一个组合结构或其中单个对象，不必关心处理的是单个对象还是整个组合结构，简化了客户端代码。
-
在合成模式中增加新的容器构件和叶子构件都很方便，无须对现有类库进行任何修改，符合“开闭原则”。
-
合成模式为树形结构的面向对象实现提供了一种灵活的解决方案，通过叶子对象和容器对象的递归组合，可以形成复杂的树形结构，但对树形结构的控制却非常简单。
缺点：
-
破坏了“单一职责原则”。
-
在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。有时候我们希望一个容器中只能有某些特定类型的对象，例如在某个文件夹中只能包含文本文件，使用组合模式时，不能依赖类型系统来施加这些约束，因为它们都来自于相同的抽象层，在这种情况下，必须通过在运行时进行类型检查来实现，这个实现过程较为复杂。
6.5、模式应用
组合模式使用面向对象的思想来实现树形结构的构建与处理，描述了如何将容器对象和叶子对象进行递归组合，实现简单，灵活性好。由于在软件开发中存在大量的树形结构，因此组合模式是一种使用频率较高的结构型设计模式，Java SE中的AWT和Swing包的设计就基于组合模式，在这些界面包中为用户提供了大量的容器构件（如Container）和成员构件（如Checkbox、Button和TextArea等）。
七、享元模式（ Flyweight Pattern）
Flyweight在拳击比赛中指最轻量级，即“蝇量级”或“雨量级”，这里选择使用“享元模式”的意译，是因为这样更能反映模式的用意。享元模式是对象的结构模式。享元模式以共享的方式高效地支持大量的细粒度对象。
在JAVA语言中，String类型就是使用了享元模式。String对象是final类型，对象一旦创建就不可改变。在JAVA中字符串常量都是存在常量池中的，JAVA会确保一个字符串常量在常量池中只有一个拷贝。String a="abc"，其中"abc"就是一个字符串常量。
public class Test {
public static void main(String[] args) {
String a = "abc";
String b = "abc";
System.out.println(a==b);
}
}
上面的例子中结果为：true ，这就说明a和b两个引用都指向了常量池中的同一个字符串常量"abc"。这样的设计避免了在创建N多相同对象时所产生的不必要的大量的资源消耗。
享元模式采用一个共享来避免大量拥有相同内容对象的开销。这种开销最常见、最直观的就是内存的损耗。享元对象能做到共享的关键是区分内蕴状态(Internal State)和外蕴状态(External State)。
-
一个内蕴状态是存储在享元对象内部的，并且不会随环境改变而有所不同。因此，一个享元可以具有内蕴状态并可以共享。
-
一个外蕴状态是随环境的改变而改变的、不可以共享的。享元对象的外蕴状态必须由客户端保存，并在享元对象被创建之后，在需要使用的时候再传入到享元对象内部。外蕴状态不可以影响享元对象的内蕴状态，它们是相互独立的。
享元模式可以分成单纯享元模式和复合享元模式两种形式。
7.1、单纯享元模式结构
单纯享元模式所涉及到的角色如下：
●抽象享元(Flyweight)角色 ：给出一个抽象接口，以规定出所有具体享元角色需要实现的方法。
●具体享元(ConcreteFlyweight)角色：实现抽象享元角色所规定出的接口。如果有内蕴状态的话，必须负责为内蕴状态提供存储空间。
●享元工厂(FlyweightFactory)角色 ：本角色负责创建和管理享元角色。本角色必须保证享元对象可以被系统适当地共享。当一个客户端对象调用一个享元对象的时候，享元工厂角色会检查系统中是否已经有一个符合要求的享元对象。如果已经有了，享元工厂角色就应当提供这个已有的享元对象；如果系统中没有一个适当的享元对象的话，享元工厂角色就应当创建一个合适的享元对象。
抽象享元角色类
public interface Flyweight {
//一个示意性方法，参数state是外蕴状态
public void operation(String state);
}
具体享元角色类ConcreteFlyweight有一个内蕴状态，在本例中一个Character类型的intrinsicState属性代表，它的值应当在享元对象被创建时赋予。所有的内蕴状态在对象创建之后，就不会再改变了。
如果一个享元对象有外蕴状态的话，所有的外部状态都必须存储在客户端，在使用享元对象时，再由客户端传入享元对象。这里只有一个外蕴状态，operation()方法的参数state就是由外部传入的外蕴状态。
public class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
private Character intrinsicState = null;
/**
* 构造函数，内蕴状态作为参数传入
* @param state
*/
public ConcreteFlyweight(Character state){
this.intrinsicState = state;
}
/**
* 外蕴状态作为参数传入方法中，改变方法的行为，但是并不改变对象的内蕴状态。
*/
@Override
public void operation(String state) {
// TODO Auto-generated method stub
System.out.println("Intrinsic State = " + this.intrinsicState);
System.out.println("Extrinsic State = " + state);
}
}
享元工厂角色类，必须指出的是，客户端不可以直接将具体享元类实例化，而必须通过一个工厂对象，利用一个factory()方法得到享元对象。一般而言，享元工厂对象在整个系统中只有一个，因此也可以使用单例模式。
当客户端需要单纯享元对象的时候，需要调用享元工厂的factory()方法，并传入所需的单纯享元对象的内蕴状态，由工厂方法产生所需要的享元对象。
public class FlyweightFactory {
private Map<Character,Flyweight> files = new HashMap<Character,Flyweight>();
public Flyweight factory(Character state){
//先从缓存中查找对象
Flyweight fly = files.get(state);
if(fly == null){
//如果对象不存在则创建一个新的Flyweight对象
fly = new ConcreteFlyweight(state);
//把这个新的Flyweight对象添加到缓存中
files.put(state, fly);
}
return fly;
}
}
客户端类
public class Client {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
FlyweightFactory factory = new FlyweightFactory();
Flyweight fly = factory.factory(new Character('a'));
fly.operation("First Call");
fly = factory.factory(new Character('b'));
fly.operation("Second Call");
fly = factory.factory(new Character('a'));
fly.operation("Third Call");
}
}
虽然客户端申请了三个享元对象，但是实际创建的享元对象只有两个，这就是共享的含义。运行结果如下：
7.2、复合享元模式
在单纯享元模式中，所有的享元对象都是单纯享元对象，也就是说都是可以直接共享的。还有一种较为复杂的情况，将一些单纯享元使用合成模式加以复合，形成复合享元对象。这样的复合享元对象本身不能共享，但是它们可以分解成单纯享元对象，而后者则可以共享。
复合享元角色所涉及到的角色如下：
●抽象享元(Flyweight)角色 ：给出一个抽象接口，以规定出所有具体享元角色需要实现的方法。
●具体享元(ConcreteFlyweight)角色：实现抽象享元角色所规定出的接口。如果有内蕴状态的话，必须负责为内蕴状态提供存储空间。
●复合享元(ConcreteCompositeFlyweight)角色 ：复合享元角色所代表的对象是不可以共享的，但是一个复合享元对象可以分解成为多个本身是单纯享元对象的组合。复合享元角色又称作不可共享的享元对象。
●享元工厂(FlyweightFactory)角色 ：本角 色负责创建和管理享元角色。本角色必须保证享元对象可以被系统适当地共享。当一个客户端对象调用一个享元对象的时候，享元工厂角色会检查系统中是否已经有 一个符合要求的享元对象。如果已经有了，享元工厂角色就应当提供这个已有的享元对象；如果系统中没有一个适当的享元对象的话，享元工厂角色就应当创建一个 合适的享元对象。
抽象享元角色类
public interface Flyweight {
//一个示意性方法，参数state是外蕴状态
public void operation(String state);
}
具体享元角色类
public class ConcreteFlyweight implements Flyweight {
private Character intrinsicState = null;
/**
* 构造函数，内蕴状态作为参数传入
* @param state
*/
public ConcreteFlyweight(Character state){
this.intrinsicState = state;
}
/**
* 外蕴状态作为参数传入方法中，改变方法的行为，但是并不改变对象的内蕴状态。
*/
@Override
public void operation(String state) {
// TODO Auto-generated method stub
System.out.println("Intrinsic State = " + this.intrinsicState);
System.out.println("Extrinsic State = " + state);
}
}
复合享元对象是由单纯享元对象通过复合而成的，因此它提供了add()这样的聚集管理方法。由于一个复合享元对象具有不同的聚集元素，这些聚集元素在复合享元对象被创建之后加入，这本身就意味着复合享元对象的状态是会改变的，因此复合享元对象是不能共享的。
复合享元角色实现了抽象享元角色所规定的接口，也就是operation()方法，这个方法有一个参数，代表复合享元对象的外蕴状态。一个复合享元对象的所有单纯享元对象元素的外蕴状态都是与复合享元对象的外蕴状态相等的；而一个复合享元对象所含有的单纯享元对象的内蕴状态一般是不相等的，不然就没有使用价值了。
public class ConcreteCompositeFlyweight implements Flyweight {
private Map<Character,Flyweight> files = new HashMap<Character,Flyweight>();
/**
* 增加一个新的单纯享元对象到聚集中
*/
public void add(Character key , Flyweight fly){
files.put(key,fly);
}
/**
* 外蕴状态作为参数传入到方法中
*/
@Override
public void operation(String state) {
Flyweight fly = null;
for(Object o : files.keySet()){
fly = files.get(o);
fly.operation(state);
}
}
}
享元工厂角色提供两种不同的方法，一种用于提供单纯享元对象，另一种用于提供复合享元对象。
public class FlyweightFactory {
private Map<Character,Flyweight> files = new HashMap<Character,Flyweight>();
/**
* 复合享元工厂方法
*/
public Flyweight factory(List<Character> compositeState){
ConcreteCompositeFlyweight compositeFly = new ConcreteCompositeFlyweight();
for(Character state : compositeState){
compositeFly.add(state,this.factory(state));
}
return compositeFly;
}
/**
* 单纯享元工厂方法
*/
public Flyweight factory(Character state){
//先从缓存中查找对象
Flyweight fly = files.get(state);
if(fly == null){
//如果对象不存在则创建一个新的Flyweight对象
fly = new ConcreteFlyweight(state);
//把这个新的Flyweight对象添加到缓存中
files.put(state, fly);
}
return fly;
}
}
客户端角色
public class Client {
public static void main(String[] args) {
List<Character> compositeState = new ArrayList<Character>();
compositeState.add('a');
compositeState.add('b');
compositeState.add('c');
compositeState.add('a');
compositeState.add('b');
FlyweightFactory flyFactory = new FlyweightFactory();
Flyweight compositeFly1 = flyFactory.factory(compositeState);
Flyweight compositeFly2 = flyFactory.factory(compositeState);
compositeFly1.operation("Composite Call");
System.out.println("---------------------------------");
System.out.println("复合享元模式是否可以共享对象：" + (compositeFly1 == compositeFly2));
Character state = 'a';
Flyweight fly1 = flyFactory.factory(state);
Flyweight fly2 = flyFactory.factory(state);
System.out.println("单纯享元模式是否可以共享对象：" + (fly1 == fly2));
}
}
从运行结果可以看出，一个复合享元对象的所有单纯享元对象元素的外蕴状态都是与复合享元对象的外蕴状态相等的。即外运状态都等于Composite Call。
从运行结果可以看出，一个复合享元对象所含有的单纯享元对象的内蕴状态一般是不相等的。即内蕴状态分别为b、c、a。
从运行结果可以看出，复合享元对象是不能共享的。即使用相同的对象compositeState通过工厂分别两次创建出的对象不是同一个对象。
从运行结果可以看出，单纯享元对象是可以共享的。即使用相同的对象state通过工厂分别两次创建出的对象是同一个对象。
7.3、优缺点
享元模式的优点在于它大幅度地降低内存中对象的数量。但是，它做到这一点所付出的代价也是很高的：
●享元模式使得系统更加复杂。为了使对象可以共享，需要将一些状态外部化，这使得程序的逻辑复杂化。
●享元模式将享元对象的状态外部化，而读取外部状态使得运行时间稍微变长。