组合模式跟我们之前讲的面向对象设计中的“组合关系(通过组合来组装两个类)”,完全是两码事。
这里讲的“组合模式”,主要是用来处理树形结构数据。这里的“数据”,你可以简单理解为一组对象集合,待会我们会详细讲解。
正因为其应用场景的特殊性,数据必须能表示成树形结构,这也导致了这种模式在实际的项目开发中并不那么常用。但是,一旦数据满足树形结构,应用这种模式就能发挥很大的作用,能让代码变得非常简洁。
组合模式的原理与实现
在 GoF 的《设计模式》一书中,组合模式是这样定义的:
Compose objects into tree structure to represent part-whole hierarchies.Composite lets client treat individual objects and compositions of objects uniformly.
翻译成中文就是:将一组对象组织(Compose)成树形结构,以表示一种“部分 - 整体”的层次结构。组合让客户端(在很多设计模式书籍中,“客户端”代指代码的使用者。)可以统一处理单个对象和组合对象的处理逻辑。
假设我们有这样一个需求:设计一个类来表示文件系统中的目录,能方便地实现下面这些功能:
- 动态地添加、删除某个目录下的子目录或文件;
- 统计指定目录下的文件个数;
- 统计指定目录下的文件总大小。
我这里给出了这个类的骨架代码,如下所示。
其中的核心逻辑并未实现,你可以试着自己去补充完整,再来看我的讲解。在下面的代码实现中,我们把文件和目录统一用 FileSystemNode 类来表示,并且通过 isFile 属性来区分。
public class FileSystemNode {
private String path;
private boolean isFile;
private List<FileSystemNode> subNodes = new ArrayList<>();
public FileSystemNode(String path, boolean isFile) {
this.path = path;
this.isFile = isFile;
}
public int countNumOfFiles() {
// TODO:...
}
public long countSizeOfFiles() {
// TODO:...
}
public String getPath() {
return path;
}
public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
subNodes.add(fileOrDir);
}
public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
int size = subNodes.size();
int i = 0;
for (; i < size; ++i) {
if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) {
break;
}
}
if (i < size) {
subNodes.remove(i);
}
}
}
实际上,如果你看过我的《数据结构与算法之美》专栏,想要补全其中的 countNumOfFiles() 和 countSizeOfFiles() 这两个函数,并不是件难事,实际上这就是树上的递归遍历算法。
对于文件,我们直接返回文件的个数(返回 1)或大小。
对于目录,我们遍历目录中每个子目录或者文件,递归计算它们的个数或大小,然后求和,就是这个目录下的文件个数和文件大小。
我把两个函数的代码实现贴在下面了,你可以对照着看一下。
public int countNumOfFiles() {
if (isFile) {
return 1;
}
int numOfFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles();
}
return numOfFiles;
}
public long countSizeOfFiles() {
if (isFile) {
File file = new File(path);
if (!file.exists()) return 0;
return file.length();
}
long sizeofFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles();
}
return sizeofFiles;
}
单纯从功能实现角度来说,上面的代码没有问题,已经实现了我们想要的功能。但是,如果我们开发的是一个大型系统,从扩展性(文件或目录可能会对应不同的操作)、业务建模(文件和目录从业务上是两个概念)、代码的可读性(文件和目录区分对待更加符合人们对业务的认知)的角度来说,我们最好对文件和目录进行区分设计,定义为 File 和 Directory 两个类。
按照这个设计思路,我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示:
public abstract class FileSystemNode {
protected String path;
public FileSystemNode(String path) {
this.path = path;
}
public abstract int countNumOfFiles();
public abstract long countSizeOfFiles();
public String getPath() {
return path;
}
}
public class File extends FileSystemNode {
public File(String path) {
super(path);
}
@Override
public int countNumOfFiles() {
return 1;
}
@Override
public long countSizeOfFiles() {
java.io.File file = new java.io.File(path);
if (!file.exists()) return 0;
return file.length();
}
}
public class Directory extends FileSystemNode {
private List<FileSystemNode> subNodes = new ArrayList<>();
public Directory(String path) {
super(path);
}
@Override
public int countNumOfFiles() {
int numOfFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles();
}
return numOfFiles;
}
@Override
public long countSizeOfFiles() {
long sizeofFiles = 0;
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles();
}
return sizeofFiles;
}
public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
subNodes.add(fileOrDir);
}
public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
int size = subNodes.size();
int i = 0;
for (; i < size; ++i) {
if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) {
break;
}
}
if (i < size) {
subNodes.remove(i);
}
}
}
文件和目录类都设计好了,我们来看,如何用它们来表示一个文件系统中的目录树结构。
具体的代码示例如下所示:
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
/**
* /
* /wz/
* /wz/a.txt
* /wz/b.txt
* /wz/movies/
* /wz/movies/c.avi
* /xzg/
* /xzg/docs/
* /xzg/docs/d.txt
*/
Directory fileSystemTree = new Directory("/");
Directory node_wz = new Directory("/wz/");
Directory node_xzg = new Directory("/xzg/");
fileSystemTree.addSubNode(node_wz);
fileSystemTree.addSubNode(node_xzg);
File node_wz_a = new File("/wz/a.txt");
File node_wz_b = new File("/wz/b.txt");
Directory node_wz_movies = new Directory("/wz/movies/");
node_wz.addSubNode(node_wz_a);
node_wz.addSubNode(node_wz_b);
node_wz.addSubNode(node_wz_movies);
File node_wz_movies_c = new File("/wz/movies/c.avi");
node_wz_movies.addSubNode(node_wz_movies_c);
Directory node_xzg_docs = new Directory("/xzg/docs/");
node_xzg.addSubNode(node_xzg_docs);
File node_xzg_docs_d = new File("/xzg/docs/d.txt");
node_xzg_docs.addSubNode(node_xzg_docs_d);
System.out.println("/ files num:" + fileSystemTree.countNumOfFiles());
System.out.println("/wz/ files num:" + node_wz.countNumOfFiles());
}
}
我们对照着这个例子,再重新看一下组合模式的定义:“将一组对象(文件和目录)组织成树形结构,以表示一种‘部分 - 整体’的层次结构(目录与子目录的嵌套结构)。组合模式让客户端可以统一单个对象(文件)和组合对象(目录)的处理逻辑(递归遍历)。”
实际上,刚才讲的这种组合模式的设计思路,与其说是一种设计模式,倒不如说是对业务场景的一种数据结构和算法的抽象。其中,数据可以表示成树这种数据结构,业务需求可以通过在树上的递归遍历算法来实现。
组合模式的应用场景举例
刚刚我们讲了文件系统的例子,对于组合模式,我这里再举一个例子。搞懂了这两个例子,你基本上就算掌握了组合模式。
在实际的项目中,遇到类似的可以表示成树形结构的业务场景,你只要“照葫芦画瓢”去设计就可以了。
假设我们在开发一个 OA 系统(办公自动化系统)。
公司的组织结构包含部门和员工两种数据类型。其中,部门又可以包含子部门和员工。在数据库中的表结构如下所示:
我们希望在内存中构建整个公司的人员架构图(部门、子部门、员工的隶属关系),并且提供接口计算出部门的薪资成本(隶属于这个部门的所有员工的薪资和)。
部门包含子部门和员工,这是一种嵌套结构,可以表示成树这种数据结构。
计算每个部门的薪资开支这样一个需求,也可以通过在树上的遍历算法来实现。所以,从这个角度来看,这个应用场景可以使用组合模式来设计和实现。
这个例子的代码结构跟上一个例子的很相似,代码实现我直接贴在了下面,你可以对比着看一下。
其中,HumanResource 是部门类(Department)和员工类(Employee)抽象出来的父类,为的是能统一薪资的处理逻辑。Demo 中的代码负责从数据库中读取数据并在内存中构建组织架构图。
public abstract class HumanResource {
protected long id;
protected double salary;
public HumanResource(long id) {
this.id = id;
}
public long getId() {
return id;
}
public abstract double calculateSalary();
}
public class Employee extends HumanResource {
public Employee(long id, double salary) {
super(id);
this.salary = salary;
}
@Override
public double calculateSalary() {
return salary;
}
}
public class Department extends HumanResource {
private List<HumanResource> subNodes = new ArrayList<>();
public Department(long id) {
super(id);
}
@Override
public double calculateSalary() {
double totalSalary = 0;
for (HumanResource hr : subNodes) {
totalSalary += hr.calculateSalary();
}
this.salary = totalSalary;
return totalSalary;
}
public void addSubNode(HumanResource hr) {
subNodes.add(hr);
}
}
// 构建组织架构的代码
public class Demo {
private static final long ORGANIZATION_ROOT_ID = 1001;
private DepartmentRepo departmentRepo; // 依赖注入
private EmployeeRepo employeeRepo; // 依赖注入
public void buildOrganization() {
Department rootDepartment = new Department(ORGANIZATION_ROOT_ID);
buildOrganization(rootDepartment);
}
private void buildOrganization(Department department) {
List<Long> subDepartmentIds = departmentRepo.getSubDepartmentIds(department.getId());
for (Long subDepartmentId : subDepartmentIds) {
Department subDepartment = new Department(subDepartmentId);
department.addSubNode(subDepartment);
buildOrganization(subDepartment);
}
List<Long> employeeIds = employeeRepo.getDepartmentEmployeeIds(department.getId());
for (Long employeeId : employeeIds) {
double salary = employeeRepo.getEmployeeSalary(employeeId);
department.addSubNode(new Employee(employeeId, salary));
}
}
}
我们再拿组合模式的定义跟这个例子对照一下:“将一组对象(员工和部门)组织成树形结构,以表示一种‘部分 - 整体’的层次结构(部门与子部门的嵌套结构)。组合模式让客户端可以统一单个对象(员工)和组合对象(部门)的处理逻辑(递归遍历)。”
总结
- 组合模式的设计思路,与其说是一种设计模式,倒不如说是对业务场景的一种数据结构和算法的抽象。其中,数据可以表示成树这种数据结构,业务需求可以通过在树上的递归遍历算法来实现。
- 组合模式,将一组对象组织成树形结构,将单个对象和组合对象都看做树中的节点,以统一处理逻辑,并且它利用树形结构的特点,递归地处理每个子树,依次简化代码实现。
- 使用组合模式的前提在于,你的业务场景必须能够表示成树形结构。所以,组合模式的应用场景也比较局限,它并不是一种很常用的设计模式。
设计模式系列阅读目录
- 设计模式:创建型—单例模式
- 设计模式:创建型—原型模式
- 设计模式:创建型—工厂模式
- 设计模式:创建型—建造者模式
- 设计模式:结构型—享元模式
- 设计模式:结构型—组合模式
- 设计模式:结构型—代理模式
- 设计模式:结构型—桥接模式
- 设计模式:结构型—装饰器模式
- 设计模式:结构型—适配器模式
- 设计模式:结构型—门面模式
- 设计模式:行为型—中介模式
- 设计模式:行为型—命令模式
- 设计模式:行为型—备忘录模式
- 设计模式:行为型—模板模式
- 设计模式:行为型—状态模式
- 设计模式:行为型—策略模式
- 设计模式:行为型—职责链模式
- 设计模式:行为型—观察者模式
- 设计模式:行为型—解释器模式
- 设计模式:行为型—访问者模式
- 设计模式:行为型—迭代器模式