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java设计模式八、组合模式

news 2025/10/29 16:24:11

概述

组合模式是一种常用的结构型设计模式，它通过将对象组合成树形结构来表示"部分-整体"的层次关系。组合模式让客户端可以统一地处理单个对象和组合对象，无需关心自己处理的是单个对象还是整个组合结构。这种模式不仅提高了代码的复用性，还大大简化了复杂层次结构的处理逻辑。

什么是组合模式

组合模式（Composite Pattern）由GoF在《设计模式》一书中提出，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。组合模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性，这是该模式的核心思想。

核心思想

想象一下公司的组织架构：公司由多个部门组成，每个部门又可能包含子部门或员工。当我们需要统计整个公司的人数时，我们希望能够用同样的方式处理整个公司、单个部门或者某个员工。组合模式正是为了解决这种"部分-整体"层次结构的问题而诞生的。

核心优势

统一处理：客户端可以一致地处理单个对象和组合对象，无需进行类型判断
简化客户端代码：复杂的层次结构对客户端透明，使用简单
灵活扩展：新增组件类型容易，符合开闭原则
层次结构清晰：天然支持树形结构的表示和操作

组合模式的三种角色

1. 组件接口（Component）

组件接口定义了所有组件（包括叶子节点和复合节点）的公共操作，这是整个模式的基础。

package com.YA33.designpattern.composite;/*** 文件系统组件接口 - 定义所有文件系统组件的公共操作* 作者：YA33*/
public interface FileSystemComponent {/*** 显示组件信息* @param indent 缩进级别，用于层次显示*/void display(String indent);/*** 计算组件大小* @return 组件大小（文件返回实际大小，文件夹返回包含内容的总大小）*/long calculateSize();/*** 添加子组件（仅对文件夹有效）* @param component 要添加的组件*/default void add(FileSystemComponent component) {throw new UnsupportedOperationException("添加操作不支持");}/*** 移除子组件（仅对文件夹有效）* @param component 要移除的组件*/default void remove(FileSystemComponent component) {throw new UnsupportedOperationException("移除操作不支持");}/*** 获取子组件（仅对文件夹有效）* @param index 子组件索引* @return 子组件*/default FileSystemComponent getChild(int index) {throw new UnsupportedOperationException("获取子组件操作不支持");}
}

2. 叶子节点（Leaf）

叶子节点是树形结构中的最小单元，没有子节点。在文件系统示例中，文件就是叶子节点。

package com.YA33.designpattern.composite;/*** 文件类 - 叶子节点，代表具体的文件* 作者：YA33*/
public class File implements FileSystemComponent {private String name;private long size;private String type;public File(String name, long size, String type) {this.name = name;this.size = size;this.type = type;}@Overridepublic void display(String indent) {System.out.println(indent + "📄 " + name + "." + type + " (" + formatSize(size) + ")");}@Overridepublic long calculateSize() {// 文件的大小就是它本身的大小return size;}// 获取文件详细信息public String getFileInfo() {return name + "." + type + " - " + formatSize(size);}// 格式化文件大小显示private String formatSize(long size) {if (size < 1024) {return size + " B";} else if (size < 1024 * 1024) {return String.format("%.1f KB", size / 1024.0);} else {return String.format("%.1f MB", size / (1024.0 * 1024.0));}}// Getter方法public String getName() { return name; }public String getType() { return type; }public long getSize() { return size; }
}

3. 复合节点（Composite）

复合节点可以包含其他子节点，形成树形结构。在文件系统示例中，文件夹就是复合节点。

package com.YA33.designpattern.composite;import java.util.ArrayList;
import java.util.List;/*** 文件夹类 - 复合节点，可以包含文件或其他文件夹* 作者：YA33*/
public class Folder implements FileSystemComponent {private String name;private List<FileSystemComponent> children;public Folder(String name) {this.name = name;this.children = new ArrayList<>();}@Overridepublic void display(String indent) {System.out.println(indent + "📁 " + name + " [" + formatSize(calculateSize()) + "]");// 递归显示所有子组件String newIndent = indent + "  ";for (FileSystemComponent child : children) {child.display(newIndent);}}@Overridepublic long calculateSize() {long totalSize = 0;// 递归计算所有子组件的大小for (FileSystemComponent child : children) {totalSize += child.calculateSize();}return totalSize;}@Overridepublic void add(FileSystemComponent component) {children.add(component);}@Overridepublic void remove(FileSystemComponent component) {children.remove(component);}@Overridepublic FileSystemComponent getChild(int index) {if (index >= 0 && index < children.size()) {return children.get(index);}return null;}/*** 搜索文件或文件夹* @param name 要搜索的名称* @return 匹配的组件列表*/public List<FileSystemComponent> search(String name) {List<FileSystemComponent> results = new ArrayList<>();for (FileSystemComponent child : children) {if (child instanceof File) {File file = (File) child;if (file.getName().contains(name)) {results.add(file);}} else if (child instanceof Folder) {Folder folder = (Folder) child;if (folder.name.contains(name)) {results.add(folder);}// 递归搜索子文件夹results.addAll(folder.search(name));}}return results;}/*** 获取文件夹中的文件数量* @return 文件数量*/public int getFileCount() {int count = 0;for (FileSystemComponent child : children) {if (child instanceof File) {count++;} else if (child instanceof Folder) {count += ((Folder) child).getFileCount();}}return count;}/*** 获取文件夹中的子文件夹数量* @return 子文件夹数量*/public int getFolderCount() {int count = 0;for (FileSystemComponent child : children) {if (child instanceof Folder) {count += 1 + ((Folder) child).getFolderCount();}}return count;}// 格式化文件大小显示private String formatSize(long size) {if (size < 1024) {return size + " B";} else if (size < 1024 * 1024) {return String.format("%.1f KB", size / 1024.0);} else {return String.format("%.1f MB", size / (1024.0 * 1024.0));}}// Getter方法public String getName() { return name; }public List<FileSystemComponent> getChildren() { return new ArrayList<>(children); }
}

完整示例演示

让我们通过一个完整的文件系统示例来演示组合模式的实际应用：

package com.YA33.designpattern.composite;/*** 组合模式演示类 - 文件系统管理* 作者：YA33*/
public class FileSystemDemo {public static void main(String[] args) {// 创建YA33项目根目录Folder ya33Project = new Folder("YA33项目");// 创建源代码文件夹Folder srcFolder = new Folder("src");Folder mainFolder = new Folder("main");Folder javaFolder = new Folder("java");Folder comFolder = new Folder("com");Folder ya33Folder = new Folder("ya33");// 创建Java源文件File mainApp = new File("MainApplication", 2048, "java");File userService = new File("UserService", 4096, "java");File productService = new File("ProductService", 5120, "java");File utils = new File("StringUtils", 1024, "java");// 构建源代码目录结构ya33Folder.add(mainApp);ya33Folder.add(userService);ya33Folder.add(productService);ya33Folder.add(utils);comFolder.add(ya33Folder);javaFolder.add(comFolder);mainFolder.add(javaFolder);srcFolder.add(mainFolder);// 创建资源文件夹Folder resourcesFolder = new Folder("resources");File config = new File("application", 512, "properties");File logConfig = new File("log4j2", 256, "xml");resourcesFolder.add(config);resourcesFolder.add(logConfig);srcFolder.add(resourcesFolder);// 创建测试文件夹Folder testFolder = new Folder("test");Folder testJavaFolder = new Folder("java");File mainTest = new File("MainApplicationTest", 1024, "java");testJavaFolder.add(mainTest);testFolder.add(testJavaFolder);srcFolder.add(testFolder);// 创建文档文件夹Folder docsFolder = new Folder("docs");File readme = new File("README", 2048, "md");File apiDoc = new File("API文档", 8192, "pdf");docsFolder.add(readme);docsFolder.add(apiDoc);// 创建配置文件File pom = new File("pom", 1024, "xml");File gitignore = new File("gitignore", 256, "");// 构建完整的项目结构ya33Project.add(srcFolder);ya33Project.add(docsFolder);ya33Project.add(pom);ya33Project.add(gitignore);// 显示完整的文件系统结构System.out.println("=== YA33项目文件系统结构 ===");ya33Project.display("");// 显示统计信息System.out.println("\n=== 项目统计信息 ===");System.out.println("项目总大小: " + formatSize(ya33Project.calculateSize()));System.out.println("文件总数: " + ya33Project.getFileCount());System.out.println("文件夹总数: " + ya33Project.getFolderCount());// 搜索功能演示System.out.println("\n=== 搜索包含 'Main' 的文件和文件夹 ===");List<FileSystemComponent> searchResults = ya33Project.search("Main");for (FileSystemComponent result : searchResults) {if (result instanceof File) {File file = (File) result;System.out.println("找到文件: " + file.getFileInfo());} else if (result instanceof Folder) {Folder folder = (Folder) result;System.out.println("找到文件夹: " + folder.getName());}}// 演示单个文件操作System.out.println("\n=== 单个文件操作演示 ===");readme.display("");System.out.println("文件大小: " + formatSize(readme.calculateSize()));}private static String formatSize(long size) {if (size < 1024) {return size + " B";} else if (size < 1024 * 1024) {return String.format("%.1f KB", size / 1024.0);} else {return String.format("%.1f MB", size / (1024.0 * 1024.0));}}
}

组合模式的应用场景

1. 文件系统管理

文件和文件夹的层次结构天然适合使用组合模式。

2. 图形用户界面

窗口包含面板，面板包含按钮、文本框等组件：

// 伪代码示例
interface UIComponent {void render();
}class Button implements UIComponent { /* 实现 */ }
class Panel implements UIComponent { /* 包含其他UI组件 */ }

3. 组织架构管理

公司-部门-员工的层次结构：

// 伪代码示例
interface OrganizationUnit {int getPersonCount();double calculateCost();
}

4. 菜单系统

菜单包含子菜单和菜单项：

// 伪代码示例
interface MenuComponent {void execute();
}class MenuItem implements MenuComponent { /* 实现 */ }
class Menu implements MenuComponent { /* 包含其他菜单组件 */ }