原创

设计模式基础(十)——组合模式

组合模式(Composite Design Pattern),是一种结构型模式。它跟面向对象设计中的“组合关系(通过组合来组装两个类)”,完全是两码事。组合模式主是用来处理树形结构数据,这里的“数据”,可以简单理解为一组对象集合。

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。

一、基本原理

我们通过两个示例来了解下组合模式。

1.1 示例一:文件系统

假设我们有一个需求,需要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,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);
    }
  }
}

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。

抽象父类:

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;
  }
}

文件类:

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();
  }
}

目录类:

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,我们来看下如何用它们来表示一个文件系统中的目录树结构:

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

1.2 示例二:OA系统

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。

抽象类:

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();
}

员工类:

public class Employee extends HumanResource {
  public Employee(long id, double salary) {
    super(id);
    this.salary = salary;
  }

  @Override
  public double calculateSalary() {
    return salary;
  }
}

部门类:

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);
  }
}

使用方式:

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) {
    // 查找出所有子部门ID
    List<Long> subDepartmentIds = departmentRepo.getSubDepartmentIds(department.getId());

    // 递归遍历所有子部门,添加到当前部门中
    for (Long subDepartmentId : subDepartmentIds) {
      Department subDepartment = new Department(subDepartmentId);
      department.addSubNode(subDepartment);
      buildOrganization(subDepartment);
    }

    // 查找出当前部门的所有员工ID
    List<Long> employeeIds = employeeRepo.getDepartmentEmployeeIds(department.getId());

    // 遍历员工,添加在当前部门中
    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)。”

二、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。

正文到此结束
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