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设计模式结构型组合模式（Composite Pattern）与常见技术框架应用解析

news 来源：原创 2025/5/15 4:52:35

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组合模式（Composite Pattern）是一种结构型设计模式，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。通过这种模式，客户端可以一致地处理单个对象和对象组合。

在软件开发中，我们经常会遇到处理对象的层次结构的情况。例如，在图形系统中，有简单的图形（如直线、圆），也有由这些简单图形组合而成的复杂图形；在文件系统中，有文件和文件夹，文件夹可以包含文件和其他文件夹。组合模式就是为了方便地处理这种“部分 - 整体”的层次结构而诞生的。

一、核心思想

核心思想是让客户能够透明地使用单独的个体或者由多个个体组成的群体。无论是一个单一的对象还是一个复杂对象的集合，对于客户端来说，它们都是一样的，这样就可以简化客户端代码。

二、定义与结构

定义：组合模式允许你将对象组合成树形结构来表现“部分 - 整体”的层次结构。组合能让客户端以一致的方式处理个别对象以及对象组合。
结构：
- Component（抽象组件）：这是组合中的对象声明接口，在适当的情况下，实现所有类共有接口的默认行为。它可以是抽象类或者接口，定义了叶子节点和组合节点都需要实现的操作，比如添加（add）、删除（remove）和获取子节点（getChild）等方法。
- Leaf（叶子节点）：叶子节点对象是组合的最底层对象，它没有子节点。它实现了组件接口中定义的操作，但对于涉及子节点的操作（如添加和删除子节点）通常不做任何处理或者抛出异常，因为叶子节点没有子节点。
- Composite（组合节点）：组合节点表示包含子节点的节点对象。它实现了组件接口，并且在内部维护一个子组件的集合。它的主要职责是实现对子组件的添加、删除和遍历等操作，并且在执行某些操作时，会将请求递归地传递给它的子组件。

三、角色

1、抽象组件（Component）

职责

定义了组合中对象的接口，这个接口可以被叶子节点和组合节点共同实现。
可以包含一些默认的方法实现，这些实现对于叶子节点和组合节点可能有不同的行为。

示例代码（以图形绘制系统为例）

// 抽象组件
interface Graphic {void draw();
}

这里定义了一个Graphic接口，draw方法是所有图形（无论是简单图形还是复杂图形组合）都需要实现的绘制方法。

2、叶子节点（Leaf）

职责

表示树形结构中的叶子对象，没有子节点。
实现抽象组件接口中定义的方法，但是对于和子节点相关的操作（如添加、删除子节点）通常不实现或者抛出异常。

示例代码（以图形绘制系统为例）

// 叶子节点 - 圆形
class Circle implements Graphic {@Overridepublic void draw() {System.out.println("绘制圆形");}
}
// 叶子节点 - 矩形
class Rectangle implements Graphic {@Overridepublic void draw() {System.out.println("绘制矩形");}
}

Circle和Rectangle类是叶子节点，它们实现了Graphic接口的draw方法，用于绘制自身，但是它们没有子节点相关的操作，因为它们本身就是最基本的图形单元。

3、组合节点（Composite）

职责

表示包含子节点的对象，维护一个子组件的集合。
实现抽象组件接口中的方法，并且在这些方法中通常会递归地调用子组件的相应方法。
提供管理子组件的方法，如添加、删除和获取子组件。

示例代码（以图形绘制系统为例）

// 组合节点
class ComplexGraphic implements Graphic {private List<Graphic> graphics = new ArrayList<>();public void add(Graphic graphic) {graphics.add(graphic);}@Overridepublic void draw() {for (Graphic graphic : graphics) {graphic.draw();}}
}

ComplexGraphic是组合节点，它内部有一个List来保存子图形。add方法用于添加子图形，draw方法会遍历所有子图形并调用它们的draw方法，从而实现复杂图形的绘制。

四、实现步骤及代码示例

以图形绘制系统为例：

1. 步骤一：定义抽象组件（Graphic）

如上述代码所示，定义Graphic接口，其中包含draw方法。这是所有图形（简单图形和复杂图形组合）的公共接口。

2. 步骤二：创建叶子节点（Circle和Rectangle）

分别创建Circle和Rectangle类实现Graphic接口。在draw方法中实现各自的绘制逻辑，例如Circle类的draw方法输出“绘制圆形”，Rectangle类的draw方法输出“绘制矩形”。

3. 步骤三：构建组合节点（ComplexGraphic）

创建ComplexGraphic类实现Graphic接口。
定义一个List<Graphic>类型的成员变量，用于存储子图形。
实现add方法，用于将子图形添加到列表中。
实现draw方法，通过遍历列表中的子图形并调用它们的draw方法来绘制复杂图形。

4. 步骤四：使用组合模式

public class Main {public static void main(String[] args) {// 创建一个复杂图形ComplexGraphic complexGraphic = new ComplexGraphic();// 添加一个圆形和一个矩形到复杂图形中complexGraphic.add(new Circle());complexGraphic.add(new Rectangle());// 绘制复杂图形complexGraphic.draw();}
}

在main方法中，首先创建一个ComplexGraphic对象，然后添加一个Circle和一个Rectangle作为子图形，最后调用draw方法来绘制这个复杂图形。客户端代码只需要调用draw方法，不需要区分是简单图形还是复杂图形组合，这体现了组合模式的统一处理方式。

五、常见技术框架应用

1、在Java AWT/Swing中的应用

组件与容器关系

在Java的图形用户界面（GUI）编程中，Container类（组合节点）和Component类（叶子节点或者其他组合节点）的关系符合组合模式。Container类可以包含多个Component。
例如，JPanel是一个Container，JButton和JLabel是Component。

示例代码（简单的Swing界面布局）

import javax.swing.*;
import java.awt.*;public class SwingCompositeExample {public static void main(String[] args) {JFrame frame = new JFrame("组合模式在Swing中的应用");frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);frame.setSize(300, 300);JPanel panel = new JPanel();panel.setLayout(new FlowLayout());JButton button1 = new JButton("按钮1");JButton button2 = new JButton("按钮2");panel.add(button1);panel.add(button2);frame.add(panel);frame.setVisible(true);}
}

在这个示例中，JFrame（顶级窗口，类似于组合模式中的一个组合节点）包含JPanel（组合节点），JPanel又包含JButton（叶子节点）。当JFrame被显示时，它会递归地布局和显示所有包含的组件，这和组合模式中组合节点操作子节点的方式类似。

2、文件系统的应用

文件与文件夹的树形结构

文件系统是组合模式的典型例子。文件可以看作是叶子节点，文件夹可以看作是组合节点。文件夹可以包含文件和其他文件夹。

示例代码（简单的文件系统遍历模拟）

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;// 抽象组件 - 文件系统元素
interface FileSystemElement {void display();
}// 叶子节点 - 文件
class File implements FileSystemElement {private String name;public File(String name) {this.name = name;}@Overridepublic void display() {System.out.println("文件: " + name);}
}// 组合节点 - 文件夹
class Directory implements FileSystemElement {private String name;private List<FileSystemElement> elements = new ArrayList<>();public Directory(String name) {this.name = name;}public void add(FileSystemElement element) {elements.add(element);}@Overridepublic void display() {System.out.println("文件夹: " + name);for (FileSystemElement element : elements) {element.display();}}
}public class FileSystemCompositeExample {public static void main(String[] args) {Directory root = new Directory("根目录");File file1 = new File("文件1");File file2 = new File("文件2");Directory subDir = new Directory("子目录");File subFile = new File("子文件");root.add(file1);root.add(file2);root.add(subDir);subDir.add(subFile);root.display();}
}

在这个示例中，定义了FileSystemElement接口，File类实现了文件叶子节点，Directory类实现了文件夹组合节点。通过display方法来展示文件或文件夹的信息，文件夹的display方法会递归地展示其包含的所有文件和文件夹。

3、UI组件树

在React中，组合模式被广泛应用于构建UI组件树：

// React Component Example
function Leaf(props) {return <div>{props.text}</div>;
}class Composite extends React.Component {render() {return (<div>{this.props.children.map((child, index) => (<div key={index}>{child}</div>))}</div>);}
}// Usage in App.js
function App() {return (<Composite><Leaf text="Child 1" /><Leaf text="Child 2" /></Composite>);
}

六、应用场景

树形结构数据表示：当需要表示树形结构的数据，如组织结构图、文件系统、菜单系统等，组合模式可以很好地对这种结构进行建模。
统一处理对象和对象组合：如果客户端需要以相同的方式处理单个对象和对象组合，组合模式可以提供统一的接口。例如，在图形绘制系统中，无论是绘制单个图形还是由多个图形组成的复杂图形，都可以使用相同的绘制方法。
部分 - 整体层次关系的操作：对于具有部分 - 整体层次关系的对象，并且需要对这种关系进行动态的添加、删除和遍历操作时，组合模式非常适用。比如在一个软件系统中，模块可以包含子模块，并且可以动态地添加或删除子模块。
图形界面构建

七、优缺点

优点

简化客户端代码：客户端可以统一地使用组合结构中的所有对象，不需要区分是单个对象还是组合对象，大大简化了客户端的代码结构。
易于添加新类型的组件：无论是添加新的叶子节点还是新的组合节点，只要它们实现了抽象组件接口，就可以很容易地集成到现有的组合结构中。
方便进行递归操作：由于组合模式天然地形成了树形结构，对于树形结构的递归操作（如遍历、计算等）变得更加容易实现，代码更加清晰。

缺点

设计复杂度过高：对于简单的层次结构，使用组合模式可能会使设计变得过于复杂。因为需要引入抽象组件、叶子节点和组合节点等多个角色，增加了代码的复杂性。
限制组件接口通用性：为了使叶子节点和组合节点都能实现抽象组件接口，接口的设计可能会受到一定的限制。有时候可能需要在接口中包含一些对于叶子节点没有实际意义的方法（如添加子节点的方法对于叶子节点通常没有意义）。

在这里插入图片描述

一、核心思想

二、定义与结构

三、角色

1、抽象组件（Component）

2、叶子节点（Leaf）

3、组合节点（Composite）

四、实现步骤及代码示例

1. 步骤一：定义抽象组件（Graphic）

2. 步骤二：创建叶子节点（Circle和Rectangle）

3. 步骤三：构建组合节点（ComplexGraphic）

4. 步骤四：使用组合模式

五、常见技术框架应用

1、在Java AWT/Swing中的应用

2、文件系统的应用

3、UI组件树

六、应用场景

七、优缺点

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