设计模式(10)：组合模式

尺有所短，寸有所长；不忘初心，方得始终。

一、组合模式是什么

组合模式：又叫作整体-部分（Part-Whole）模式，它将对象组合成树状的层次结构，用来表示整体-部分的关系，使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性，属于结构型模式。

树状结构如下：

由上图可以看出，

根节点和树枝节点本质上属于同一种数据类型，可以作为容器使用。
叶子节点与树枝节点在语义上不属于用一种类型。在组合模式中，会把树枝节点和叶子节点看作属于同一种数据类型（用统一接口定义），让它们具备一致行为。

组合模式在树型结构中，模糊了简单元素（叶子节点）和复杂元素（树枝节点）的概念，客户程序可以像处理简单元素一样来处理复杂元素，从而使得客户程序与复杂元素的内部结构解耦。

二、组合模式的适用场景

适用场景

需要体现部分与整体的树状层次结构时，可以使用组合模式。
希望客户端忽略组合对象与单个对象的不同，用户将统一地使用组合结构中的所有对象。

现实案例：

文件夹

文件夹可以有子文件夹和文件。
超市购物袋

大袋子装商品和小袋子，小袋子可以装小袋子和商品
算术表达式

包括操作数、操作符和另一个操作数，另一个操作数也可以是操作数、操作符和另一个操作数

三、组合模式结构

3.1 组合模式主要角色

抽象构件（Component）角色

主要作用是为树叶构件和树枝构件声明公共接口，并实现它们的默认行为。
透明式的组合模式中抽象构件还声明访问和管理子类的接口

安全式的组合模式中不声明访问和管理子类的接口，管理工作由树枝构件完成，只定义一些通用的方法。
树叶构件（Leaf）角色

在组合中表示叶节点，叶节点没有子节点，用于继承或实现抽象构件基本行为。
树枝构件（Composite）角色 / 中间构件

是组合中的分支节点对象，有子节点，用于继承和实现抽象构件基本行为，它的主要作用是存储存储子部件并在Component接口实现与子部件有关的操作。
客户端（Client）

通过Component接口操作组合部件的对象。

3.1 组合模式的两种类型

组合模式分为透明式的组合模式和安全式的组合模式。这两种类型的主要区别在于抽象构件（Component）角色上的差别。

透明式的组合模式

在透明式的组合模式中，由于抽象构件声明了所有子类中的全部方法，所以客户端无须区别树叶对象和树枝对象，对客户端来说是透明的。

透明式缺点

树叶构件本身没有子节点，但是由于继承抽象构件，需要实现树枝构件所特有的行为（比如文件夹的新增子文件夹的方法），此时只能空实现或抛异常。其结构图如下

安全式的组合模式

在安全式的组合模式中，将管理子构件的方法移到树枝构件中，抽象构件只定义树枝构件和树叶构件所共同的方法。避免了透明式的组合模式的空实现或抛异常问题。

安全式的缺点

由于叶子节点和树枝节点有不同的行为方法，客户端在调用时要知道树叶对象和树枝对象的存在，所以对对于客户端失去了透明性。其结构图如下

四、组合模式实现方式

组合模式实现的前提：确保应用的核心模型能够以树状结构表示，并将其分解为简单元素和容器，容器必须能够同时包含简单元素和子容器

定义一个接口或抽象类作为抽象构件角色，声明组件接口及其一系列方法。
定义一个叶节点类表示简单元素。实现抽象构件角色，程序中可以有多个不同的叶节点类。

叶节点可以作为一个接口，以不同的叶子结点类去实现接口
定义一个树枝节点(容器)类表示复杂元素，实现抽象构件角色。

在该类中创建一个数组成员变量来存储对于其子元素的引用。该数组必须能够同时保存叶节点和容器，因此必须将其声明为组合接口类型
树枝节点也可以作为一个接口，以不同的树枝节点类去实现接口

五、组合模式的两种实现

【案例】用组合模式实现在超市购物后，显示并计算所选商品信息与总价。

【案例说明】张三在超市购物，购物清单如下

1号小袋子装了2 包芒果干（单价15.8元）,1包薯片（单价9.8元）

2号小袋子装了3 包山楂（单价7.8元）,2包牛肉脯（单价19.8元）

中型袋子装了1号小袋子，1盒巧克力（单价39.8元）

大型袋子装了中型袋子,2号小袋子，1箱牛奶（单价79.8元）
【大袋子的东西】
{
    1箱牛奶（单价79.8元）
    2号小袋子{
    	3 包山楂（单价7.8元
    	2包牛肉脯（单价19.8元）
	}
    中型袋子:{
        1盒巧克力（单价39.8元）
        1号小袋子:{
        	2 包芒果干（单价15.8元）
        	1包薯片（单价9.8元）
    	}
    }
}

案例结构图如下

5.1 透明式的组合模式

透明式的组合模式中抽象构件还声明访问和管理子类的接口

抽象构件（Component）角色

/**
 * 抽象构件（Component）角色
 */
public interface Article {

    /**
     * 树枝构件特有的方法： 访问和管理子类的接口  大袋子装小袋子
     */
    public void add(Article article);

    /**
     * 计算价格
     */
    public Double calculation(); 

    /**
     * 显示商品
     */
    public void show();

}

树叶构件（Leaf）角色

/**
 * 树叶构件: 商品
 */
public class Goods implements Article {

    /**
     * 商品名称
     */
    private String name;
    /**
     * 购买数量
     */
    private Integer quantity;
    /**
     * 商品单价
     */
    private Double unitPrice;

    public Goods(String name, Integer quantity, Double unitPrice) {
        this.name = name;
        this.quantity = quantity;
        this.unitPrice = unitPrice;
    }

    /**
     * 树枝构件特有的方法
     * 在树叶构件中是能空实现或者抛异常
     */
    @Override
    public void add(Article article) {

    }

    @Override
    public Double calculation() {
        return this.unitPrice * this.quantity;
    }

    @Override
    public void show() {
        System.out.println(name + ": (数量：" + quantity + "，单价：" + unitPrice + "元)," +
                "合计："+this.unitPrice * this.quantity+"元");
    }
}

树枝构件（Composite）角色 / 中间构件

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * 树枝构件: 袋子
 */
public class Bag implements Article{

    /**
     * 袋子名字
     */
    private String name;

    public Bag(String name) {
        this.name = name;
    }

    /**
     * 袋子中的商品
     */
    private List<Article> bags = new ArrayList<Article>();

    /**
     * 往袋子中添加袋子或者商品
     */
    @Override
    public void add(Article article) {
        bags.add(article);
    }

    @Override
    public Double calculation() {
        AtomicReference<Double> sum = new AtomicReference<>(0.0);
        bags.forEach(e->{
            sum.updateAndGet(v -> v + e.calculation());
        });
        return sum.get();
    }

    @Override
    public void show() {
        bags.forEach(Article::show);
    }
}

客户端代码实现

  public static void main(String[] args) throws Exception {

   		Article smallOneBag = new Bag("1号小袋子");
        smallOneBag.add(new Goods("芒果干", 2, 15.8));
        smallOneBag.add(new Goods("薯片", 1, 9.8));

        Article smallTwoBag = new Bag("2号小袋子");
        smallTwoBag.add(new Goods("山楂", 3, 7.8));
        smallTwoBag.add(new Goods("牛肉脯", 2, 19.8));

        Article mediumBag = new Bag("中袋子");
        mediumBag.add(new Goods("巧克力", 1, 39.8));
        mediumBag.add(smallOneBag);

        Article BigBag = new Bag("大袋子");
        BigBag.add(new Goods("牛奶", 1, 79.8));
        BigBag.add(mediumBag);
        BigBag.add(smallTwoBag);

        System.out.println("张三选购的商品有：");
        BigBag.show();
        Double sum = BigBag.calculation();
        System.out.println("要支付的总价是：" + sum + "元");
    }

以上客户端代码中 new Bag(），new Goods()的引用都是Article，无须区别树叶对象和树枝对象，对客户端来说是透明的，此时Article调用add()是空实现或抛异常的（案例是空实现）。

案例结果输出

5.2 安全式的组合模式

安全式的组合模式中不声明访问和管理子类的接口，管理工作由树枝构件完成，只定义一些通用的方法。

抽象构件（Component）角色

/**
 * 抽象构件（Component）角色
 */
public interface Article {
    /**
     * 计算价格
     */
    public Double calculation(); 

    /**
     * 显示商品
     */
    public void show();

}

树叶构件（Leaf）角色

/**
 * 树叶构件: 商品
 */
public class Goods implements Article {

    /**
     * 商品名称
     */
    private String name;
    /**
     * 购买数量
     */
    private Integer quantity;
    /**
     * 商品单价
     */
    private Double unitPrice;

    public Goods(String name, Integer quantity, Double unitPrice) {
        this.name = name;
        this.quantity = quantity;
        this.unitPrice = unitPrice;
    }

    @Override
    public Double calculation() {
        return this.unitPrice * this.quantity;
    }

    @Override
    public void show() {
        System.out.println(name + ": (数量：" + quantity + "，单价：" + unitPrice + "元)," +
                "合计："+this.unitPrice * this.quantity+"元");
    }
}

树枝构件（Composite）角色 / 中间构件

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * 树枝构件: 袋子
 */
public class Bag implements Article{
    /**
     * 袋子名字
     */
    private String name;

    public Bag(String name) {
        this.name = name;
    }

    /**
     * 袋子中的商品
     */
    private List<Article> bags = new ArrayList<Article>();

    /**
     * 树枝构件特有的方法： 访问和管理子类的接口  大袋子装小袋子
     * 往袋子中添加袋子或者商品
     */
    @Override
    public void add(Article article) {
        bags.add(article);
    }

    @Override
    public Double calculation() {
        AtomicReference<Double> sum = new AtomicReference<>(0.0);
        bags.forEach(e->{
            sum.updateAndGet(v -> v + e.calculation());
        });
        return sum.get();
    }

    @Override
    public void show() {
        bags.forEach(Article::show);
    }
}

客户端代码实现

  public static void main(String[] args) throws Exception {

        Bag smallOneBag = new Bag("1号小袋子");
        smallOneBag.add(new Goods("芒果干", 2, 15.8));
        smallOneBag.add(new Goods("薯片", 1, 9.8));

        Bag smallTwoBag = new Bag("2号小袋子");
        smallTwoBag.add(new Goods("山楂", 3, 7.8));
        smallTwoBag.add(new Goods("牛肉脯", 2, 19.8));

        Bag mediumBag = new Bag("中袋子");
        mediumBag.add(new Goods("巧克力", 1, 39.8));
        mediumBag.add(smallOneBag);

        Bag BigBag = new Bag("大袋子");
        BigBag.add(new Goods("牛奶", 1, 79.8));
        BigBag.add(mediumBag);
        BigBag.add(smallTwoBag);

        System.out.println("张三选购的商品有：");
        BigBag.show();
        Double sum = BigBag.calculation();
        System.out.println("要支付的总价是：" + sum + "元");
    }