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设计模式--组合模式：统一处理树形结构的优雅设计

news 2025/10/13 13:41:33

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：

JDK：推荐 JDK 17（也可使用 JDK 8+）。
IDE：IntelliJ IDEA、Eclipse 或 VS Code，推荐支持 Java 的 IDE。
构建工具：Maven（可选，用于管理依赖）。

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：

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：

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;}@Overridepublic void display(int indent) {System.out.println("  ".repeat(indent) + "- File: " + name + " (" + size + " KB)");}@Overridepublic 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：

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);}@Overridepublic void display(int indent) {System.out.println("  ".repeat(indent) + "+ Directory: " + name);for (FileSystemComponent component : components) {component.display(indent + 1);}}@Overridepublic 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：

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

编译和运行：

在 IDE 中运行 Main 类。

或使用命令行：

javac src/main/java/com/example/composite/*.java src/main/java/com/example/composite/*/*.java
java com.example.composite.Main

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)）。
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）。

进阶与最佳实践

扩展功能：

添加文件类型限制：

public void addComponent(FileSystemComponent component) {if (component == null) {throw new IllegalArgumentException("Component cannot be null");}components.add(component);
}

递归优化：

缓存文件夹大小：

private Double cachedSize = null;@Override
public double getSize() {if (cachedSize == null) {cachedSize = components.stream().mapToDouble(FileSystemComponent::getSize).sum();}return cachedSize;
}

测试：

使用 JUnit 编写单元测试：

import org.junit.Test;
import static org.junit.Assert.*;public class CompositeTest {@Testpublic 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);}
}