组合模式（Composite Pattern）：树形结构的优雅处理方案

1. 什么是组合模式

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现"整体-部分"的层次关系。使用组合模式后，客户端可以统一对待单个对象和组合对象，无需关心处理的是一个叶子节点还是一个组合节点。

这种模式特别适合处理那些需要树形结构来展示的场景，比如：

文件系统的目录结构
公司的组织架构
GUI界面的控件层次
菜单系统的多级菜单

2. 组合模式的结构

组合模式主要包含以下几个角色：

Component（抽象组件）：定义组合对象和叶子对象的共同接口
Leaf（叶子节点）：表示组合中的叶子节点对象没有子节点
Composite（组合节点）：表示组合中的分支节点对象，可以包含子节点

3. UML类图

Component（抽象组件）
- 这是整个组合模式的核心，定义了叶子和组合对象的共同接口
- operation()：声明实际业务方法
- add()/remove()/getChild()：定义管理子组件的方法
- 可以声明为抽象类或接口
Leaf（叶子节点）
- 表示叶子节点，继承自Component
- 实现operation()方法
- 没有子节点，因此add/remove/getChild方法可能为空实现或抛出异常
Composite（组合节点）
- 表示容器节点，继承自Component
- 包含子组件集合（children）
- 实现operation()方法，通常会递归调用子组件的operation
- 实现add/remove/getChild等方法来管理子组件

4. 代码实现

让我们通过一个文件系统的例子来实现组合模式：

文件系统示例说明

在这个文件系统的例子中，我们模拟了真实文件系统的树形结构。这是一个典型的组合模式应用场景，因为：

文件和目录都是文件系统的组成部分
目录可以包含文件和子目录
用户可以以统一的方式处理文件和目录（如计算大小、显示结构等）

代码如下：

// 抽象组件：文件系统项
public abstract class FileSystemNode {protected String name;public FileSystemNode(String name) {this.name = name;}// 显示节点信息public abstract void display(String prefix);// 获取文件或目录大小public abstract long getSize();
}// 叶子节点：文件
public class File extends FileSystemNode {private long size; // 文件大小public File(String name, long size) {super(name);this.size = size;}@Overridepublic void display(String prefix) {System.out.println(prefix + "- " + name + " (" + size + " bytes)");}@Overridepublic long getSize() {return size;}
}// 组合节点：目录
public class Directory extends FileSystemNode {private List<FileSystemNode> children = new ArrayList<>();public Directory(String name) {super(name);}// 添加子节点public void add(FileSystemNode node) {children.add(node);}// 移除子节点public void remove(FileSystemNode node) {children.remove(node);}@Overridepublic void display(String prefix) {System.out.println(prefix + "+ " + name);// 递归显示子节点children.forEach(child -> child.display(prefix + " "));}@Overridepublic long getSize() {// 计算所有子节点的大小总和return children.stream().mapToLong(FileSystemNode::getSize).sum();}
}// 客户端使用示例
public class Client {public static void main(String[] args) {// 创建目录结构Directory root = new Directory("root");Directory home = new Directory("home");Directory user = new Directory("user");File file1 = new File("document.txt", 100);File file2 = new File("image.jpg", 2000);File file3 = new File("config.xml", 150);root.add(home);home.add(user);user.add(file1);user.add(file2);root.add(file3);// 显示目录结构root.display("");// 计算总大小System.out.println("Total size: " + root.getSize() + " bytes");}
}

FileSystemNode（Component）

作为抽象组件，定义了文件系统中所有节点的共同接口
name属性：所有文件系统项都有名称
display()：统一的显示方法，用于展示节点信息
getSize()：统一的大小计算方法
设计为抽象类而不是接口，因为可以共享name属性的实现

File（Leaf）

代表组合模式中的叶子节点，表示文件系统中的文件
实现了所有抽象方法，但不包含子节点
size属性：文件特有的属性，用于存储文件大小
display()：直接显示文件信息
getSize()：直接返回文件大小，无需递归计算

Directory（Composite）

代表组合模式中的组合节点，表示文件系统中的目录
children：存储子节点的集合，可以包含文件和子目录
add()/remove()：提供了管理子节点的方法
display()：递归显示目录结构，体现了树形结构的遍历
getSize()：通过递归计算所有子节点大小的总和

5. 常见应用场景

图形界面框架
- 窗口包含面板
- 面板包含按钮、文本框等控件
文件系统
- 目录包含子目录和文件
- 统一处理文件和目录的操作
组织架构
- 公司部门层级关系
- 员工和部门的统一管理
菜单系统
- 多级菜单的实现
- 菜单项和子菜单的统一处理

6. 优缺点分析

优点

简化客户端代码：客户端可以一致地处理组合对象和叶子对象
易于扩展：新增组合对象或叶子对象都很方便，不需要修改现有代码
具有较强的灵活性：可以通过组合创建复杂的树形结构

缺点

可能使设计变得过于一般化：为了使组件接口统一，可能需要在接口中声明一些不太适合叶子节点的方法
增加了系统复杂度：需要额外的抽象层和类型检查

7. 最佳实践建议

安全性与透明性的权衡
- 安全方式：在Composite类中定义管理子节点的方法
- 透明方式：在Component中定义所有方法
子组件管理
- 考虑是否需要父节点引用
- 决定由谁负责管理子组件的添加和删除
遍历方式
- 可以实现迭代器模式来遍历组合结构
- 考虑深度优先或广度优先遍历的需求
类型安全
- 使用泛型来增强类型安全
- 在必要时进行类型检查

示例：使用泛型改进的组合模式

public abstract class Component<T extends Component<T>> {
protected List<T> children = new ArrayList<>();
public void add(T component) {
children.add(component);
}
public void remove(T component) {
children.remove(component);
}
public abstract void operation();
}