【设计模式】结构型模式（四）：组合模式、享元模式

《设计模式之结构型模式》系列，共包含以下文章：

• 结构型模式（一）：适配器模式、装饰器模式
• 结构型模式（二）：代理模式
• 结构型模式（三）：桥接模式、外观模式
• 结构型模式（四）：组合模式、享元模式

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6.组合模式（Composite）

组合模式（Composite Pattern）是一种设计模式，用于处理树形结构的数据。它的主要目的是将对象组合成树形结构来表示 “部分 - 整体” 的层次结构。组合模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。

具体来说，组合模式有以下几个特点：

• 统一接口：无论是单个对象（叶子节点）还是组合对象（树枝节点），都提供相同的接口，这样客户端代码可以一致地处理它们，而不需要关心它们是单个对象还是组合对象。
• 递归结构：组合模式通过 递归 的方式构建树形结构，每个组合对象可以包含多个子对象，这些子对象可以是叶子节点或更深层次的组合对象。
• 透明性：客户端代码不需要关心对象的具体类型，只需要通过统一的接口进行操作。

6.1 案例

假设你正在开发一个文件系统，文件系统中包含文件（File）和文件夹（Folder）。文件夹可以包含多个文件和其他文件夹，文件夹和文件都有一些共同的操作，比如显示内容。

6.1.1 定义统一接口

public interface Component {void display();
}

6.1.2 实现叶子节点（文件）

public class File implements Component {private String name;public File(String name) {this.name = name;}@Overridepublic void display() {System.out.println("文件: " + name);}
}

6.1.3 实现组合节点（文件夹）

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class Folder implements Component {private String name;private List<Component> children = new ArrayList<>();public Folder(String name) {this.name = name;}public void add(Component component) {children.add(component);}public void remove(Component component) {children.remove(component);}@Overridepublic void display() {System.out.println("文件夹: " + name);for (Component child : children) {child.display();}}
}

6.1.4 客户端

public class CompositePatternExample {public static void main(String[] args) {// 创建文件和文件夹File file1 = new File("文件1");File file2 = new File("文件2");Folder folder1 = new Folder("文件夹1");Folder folder2 = new Folder("文件夹2");// 组合文件和文件夹folder1.add(file1);folder1.add(file2);folder2.add(folder1);folder2.add(new File("文件3"));// 显示文件系统结构folder2.display();}
}

6.1.5 输出

文件夹: 文件夹2
文件夹: 文件夹1
文件: 文件1
文件: 文件2
文件: 文件3

在这个例子中，Component 接口定义了所有组件的共同操作，File 和 Folder 都实现了这个接口。Folder 可以包含多个 Component，从而形成树形结构。客户端代码通过 Component 接口操作文件和文件夹，而不需要关心它们的具体类型。

7.享元模式（Flyweight）

享元模式（Flyweight Pattern） 是一种用于性能优化的设计模式，主要目的是通过共享已经存在的对象来减少内存使用和提高性能。简单来说，享元模式 通过共享对象来减少对象的数量，从而节省内存。

假设你正在开发一个文本编辑器，用户可以在编辑器中输入大量的文本。为了显示这些文本，你需要为每个字符创建一个对象。如果每个字符都创建一个独立的对象，那么当文本非常大时，会占用大量的内存。

7.1 问题

• 内存消耗大：如果每个字符都创建一个独立的对象，内存消耗会非常大。
• 性能问题：创建和管理大量对象会导致性能下降。

7.2 解决方案

使用享元模式，你可以共享字符对象，而不是为每个字符都创建一个独立的对象。具体来说：

• 内部状态（Intrinsic State）：这些是共享的、不变的状态，例如字符的字形信息。
• 外部状态（Extrinsic State）：这些是不共享的、变化的状态，例如字符在文档中的位置。

🚀 计算机世界中无穷无尽的可能，其本质都是由 1 和 0 两个 “元” 的组合变化而产生的。
🚀 元，顾名思义，始也，有本初、根源的意思。“享元” 则是 共享元件 的意思。享元模式的英文 Flyweight 是 轻量级 的意思，这就意味着享元模式能使程序变得更加轻量化。当系统存在大量的对象，并且这些对象又具有相同的内部状态时，我们就可以用享元模式共享相同的元件对象，以避免对象泛滥造成资源浪费。

7.3 代码实现

假设你有一个文本编辑器，需要显示大量的字符。你可以使用享元模式来减少内存使用。

7.3.1 享元接口

public interface CharacterFlyweight {void display(int position);
}

• 定义了一个接口，用于显示字符及其位置。
• 方法：display(int position)，用于显示字符在文本中的位置。

7.3.2 享元对象

public class CharacterObject implements CharacterFlyweight {private final char value;private final String font;public CharacterObject(char value, String font) {this.value = value;this.font = font;}@Overridepublic void display(int position) {System.out.println("Character: " + value + " at position: " + position + " with font: " + font);}
}

Character 类实现了 CharacterFlyweight 接口，包含字符的值和字体信息。这些信息是内部状态，是共享的。

7.3.3 享元工厂

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class CharacterFactory {private static final Map<Character, CharacterFlyweight> pool = new HashMap<>();public static CharacterFlyweight getCharacter(char value, String font) {CharacterFlyweight character = pool.get(value);if (character == null) {// 创建新的 CharacterFlyweight 对象System.out.println("===============: " + value + " 加入共享");character = new CharacterObject(value, font);// 将新创建的对象添加到 pool 中pool.put(value, character);}return character;}
}

CharacterFactory 类是一个工厂类，用于管理共享的字符对象。通过 getCharacter 方法，根据字符值和字体信息从池中获取或创建字符对象。

为什么 CharacterFactory 不需要实现 CharacterFlyweight 接口？

• 职责分离：CharacterFactory 的职责是创建和管理 CharacterFlyweight 对象，而不是实现 CharacterFlyweight 接口。实现接口的类应该是具体的字符对象类，如 CharacterObject。
• 灵活性：通过工厂类创建对象，可以在不改变调用代码的情况下，轻松地更换不同的实现类。例如，如果将来需要添加一个新的字符对象实现类 CharacterObject2，只需要在 CharacterFactory 中创建 CharacterObject2 的实例即可。
• 解耦：调用者只需要知道 CharacterFlyweight 接口，而不需要知道具体的实现类。这有助于降低代码的耦合度，提高代码的可维护性和扩展性。

在 CharacterFactory 类中，getCharacter 方法负责创建 CharacterFlyweight 对象。具体来说，当 pool 中没有指定字符的 CharacterFlyweight 对象时，getCharacter 方法会创建一个新的 CharacterObject 实例，并将其添加到 pool 中。

7.3.4 客户端

public class FlyweightPatternExample {public static void main(String[] args) {// 模拟输入文本String text = "Hello, World!";for (int i = 0; i < text.length(); i++) {char c = text.charAt(i);CharacterFlyweight character = CharacterFactory.getCharacter(c, "Arial");character.display(i);}}
}

客户端代码通过 CharacterFactory 获取字符对象，并调用 display 方法显示字符。每个字符对象在池中只创建一次，多次使用时直接从池中获取，从而减少了内存使用。

7.3.5 输出结果

===============: H 加入共享
Character: H at position: 0 with font: Arial
===============: e 加入共享
Character: e at position: 1 with font: Arial
===============: l 加入共享
Character: l at position: 2 with font: Arial
Character: l at position: 3 with font: Arial
===============: o 加入共享
Character: o at position: 4 with font: Arial
===============: , 加入共享
Character: , at position: 5 with font: Arial
===============:   加入共享
Character:   at position: 6 with font: Arial
===============: W 加入共享
Character: W at position: 7 with font: Arial
Character: o at position: 8 with font: Arial
===============: r 加入共享
Character: r at position: 9 with font: Arial
Character: l at position: 10 with font: Arial
===============: d 加入共享
Character: d at position: 11 with font: Arial
===============: ! 加入共享
Character: ! at position: 12 with font: Arial