设计模式（九）结构型：组合模式详解

设计模式（九）结构型：组合模式详解

组合模式（Composite Pattern）是 GoF 23 种设计模式中的结构型模式之一，其核心价值在于将对象组织成树形结构以表示“部分-整体”的层次关系，并使得客户端可以统一地处理单个对象和组合对象。它通过递归组合的方式，让客户端无需区分“叶子节点”（个体）和“容器节点”（组合），从而简化了客户端代码，提升了系统的可扩展性与一致性。组合模式广泛应用于文件系统、UI 组件树、组织架构、菜单系统、XML/JSON 解析器等具有天然树状结构的场景，是构建层次化系统的基石。

一、详细介绍

组合模式解决的是“个体与容器接口不一致”导致的客户端复杂性问题。在许多系统中，存在“容器包含子元素”的结构，如文件夹包含文件和子文件夹、菜单包含菜单项和子菜单、组织包含员工和子部门。若容器和个体使用不同接口，客户端在遍历或操作时必须频繁进行类型判断和分支处理，导致代码冗余、耦合度高、难以维护。

组合模式通过引入一个统一的抽象接口（Component），使得个体（Leaf）和容器（Composite）都实现该接口。容器类除了实现接口外，还维护一个子节点集合，并实现对子节点的管理（如添加、删除、遍历）。客户端通过该统一接口操作所有对象，无需关心其是单个对象还是组合对象，从而实现了透明性。

该模式包含以下核心角色：

• Component（组件）：抽象接口或抽象类，声明所有对象共有的操作（如 operation()），并可选地定义管理子节点的方法（如 addChild()、removeChild()、getChildren()）。它是客户端操作的统一入口。
• Leaf（叶子节点）：表示个体对象，实现 Component 接口，但通常不包含子节点，因此对管理子节点的方法抛出异常或不做实现。
• Composite（组合节点）：表示容器对象，实现 Component 接口，并维护一个 Component 类型的子节点集合。它将客户端请求转发给所有子节点，实现递归处理。
• Client（客户端）：通过 Component 接口与所有对象交互，无需区分叶子和组合。

组合模式有两种形式：

1. 透明组合模式：Component 接口包含所有方法（业务操作 + 子节点管理），Leaf 类必须实现管理方法（即使无意义），接口统一但语义不洁。
2. 安全组合模式：Component 仅定义业务操作，子节点管理方法仅在 Composite 中定义。客户端需类型判断才能管理子节点，接口安全但失去透明性。

在实际开发中，透明组合模式更常用，因其提供了统一接口，简化了客户端逻辑，尽管 Leaf 类需处理无意义方法。

组合模式的关键优势：

• 统一接口：客户端无需区分个体与组合，简化代码。
• 递归结构：天然支持树形遍历与批量操作。
• 符合开闭原则：新增叶子或组合类无需修改客户端。
• 层次清晰：直观反映“部分-整体”关系。

二、组合模式的UML表示

以下是组合模式的标准 UML 类图：

图解说明：

• Component 是统一接口，定义 operation() 和子节点管理方法。
• Leaf 实现 Component，operation() 执行具体行为，管理方法通常抛出 UnsupportedOperationException。
• Composite 维护 children 列表，operation() 递归调用所有子节点的 operation()，管理方法操作 children 集合。
• Composite 与 Component 之间是“聚合”关系（空心菱形），表示一个组合包含多个组件。

三、一个简单的Java程序实例及其UML图

以下是一个文件系统管理的示例，展示如何使用组合模式统一处理文件（Leaf）和文件夹（Composite）。

Java 程序实例

import java.util.*;// 组件接口：统一文件和文件夹的操作
interface FileSystemComponent {void display(String indent);long getSize();void addChild(FileSystemComponent component);void removeChild(FileSystemComponent component);List<FileSystemComponent> getChildren();
}// 叶子节点：文件
class File implements FileSystemComponent {private String name;private long size;public File(String name, long size) {this.name = name;this.size = size;}@Overridepublic void display(String indent) {System.out.println(indent + "📄 File: " + name + " (" + size + " bytes)");}@Overridepublic long getSize() {return size;}// 叶子节点不支持添加子节点@Overridepublic void addChild(FileSystemComponent component) {throw new UnsupportedOperationException("Cannot add to a file");}@Overridepublic void removeChild(FileSystemComponent component) {throw new UnsupportedOperationException("Cannot remove from a file");}@Overridepublic List<FileSystemComponent> getChildren() {return Collections.emptyList();}
}// 组合节点：文件夹
class Folder implements FileSystemComponent {private String name;private List<FileSystemComponent> children;public Folder(String name) {this.name = name;this.children = new ArrayList<>();}@Overridepublic void display(String indent) {System.out.println(indent + "📁 Folder: " + name);for (FileSystemComponent child : children) {child.display(indent + "  "); // 递归显示}}@Overridepublic long getSize() {return children.stream().mapToLong(FileSystemComponent::getSize).sum(); // 递归计算总大小}@Overridepublic void addChild(FileSystemComponent component) {children.add(component);}@Overridepublic void removeChild(FileSystemComponent component) {children.remove(component);}@Overridepublic List<FileSystemComponent> getChildren() {return new ArrayList<>(children); // 返回副本}
}// 客户端使用示例
public class CompositePatternDemo {public static void main(String[] args) {// 创建叶子节点（文件）FileSystemComponent file1 = new File("Document.txt", 1024);FileSystemComponent file2 = new File("Image.jpg", 2048);FileSystemComponent file3 = new File("Script.js", 512);// 创建组合节点（文件夹）FileSystemComponent srcFolder = new Folder("src");FileSystemComponent assetsFolder = new Folder("assets");// 构建树形结构srcFolder.addChild(file3); // src/Script.jsassetsFolder.addChild(file2); // assets/Image.jpgFileSystemComponent root = new Folder("Project");root.addChild(file1);        // Project/Document.txtroot.addChild(srcFolder);    // Project/src/root.addChild(assetsFolder); // Project/assets/// 客户端统一操作：显示结构System.out.println("=== File System Structure ===");root.display("");// 客户端统一操作：获取总大小System.out.println("\n=== Total Size ===");System.out.println("Total size: " + root.getSize() + " bytes");// 演示递归删除System.out.println("\n=== After Removing 'assets' Folder ===");((Folder) root).removeChild(assetsFolder);root.display("");}
}

实例对应的UML图（简化版）

运行说明：

• FileSystemComponent 是统一接口。
• File 是叶子，display() 显示自身信息，getSize() 返回自身大小。
• Folder 是组合，display() 递归调用子节点，getSize() 累加所有子节点大小。
• 客户端通过 root.display("") 和 root.getSize() 统一操作整个树，无需关心内部结构。

四、总结

组合模式使用建议：

• 优先使用透明组合模式，以获得最大客户端便利性。
• 在叶子类的管理方法中抛出 UnsupportedOperationException 是常见做法。
• 避免在组合中引入循环引用，防止递归遍历栈溢出。
• 考虑使用迭代器模式遍历复杂组合结构。

架构师洞见：
组合模式是“递归思维”在软件架构中的典范。在现代系统中，其思想已超越传统设计模式，成为前端框架（如 React/Vue 的组件树）、配置管理（如 Terraform 的资源树）、微服务编排（如服务依赖图） 的底层模型。架构师应认识到：组合模式不仅用于数据结构，更是一种系统分解与集成的方法论——它教会我们用“树”来建模世界，用“递归”来处理复杂性。

未来趋势是：组合模式将与函数式编程结合，通过不可变数据结构和递归函数实现安全的树操作；在低代码平台中，组合模式是可视化组件嵌套的基础；在AI Agent 系统中，任务可被分解为子任务树，通过组合模式调度执行。

掌握组合模式，有助于设计出层次清晰、扩展灵活、操作统一的系统。作为架构师，应在识别到“部分-整体”关系时，主动引入组合结构，避免客户端陷入类型判断的泥潭。组合不仅是模式，更是系统建模的通用语言——它让我们用简单的规则，构建复杂的世界。