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带你通关全栈树型结构设计:从数据库到前端

树状结构的业务
今天咱们要讨论的树,它不是现实结构的树,也不是数据结构要讨论的树,而是「从业务视角抽象出来的树形结构」。



树形结构可以用在很多的业务上,比如组织结构中的上下级关系、商品分类管理、文件系统、后台系统中的页面和组件关系等等。



下面请系好安全带,我们将从数据库设计、设计模式、前端组件三个方面来介绍关于树状结构设计的方方面面,助你通关全栈树状结构!



数据库设计
树状结构最简单最常用的方法其实是直接存储在JSON里面。现在有很多主流的NoSQL库,比如MongoDB等,而且也有很多关系型数据库也开始支持JSON存储,比如MySQL。

使用JSON的好处是,「维护整棵树比较方便」,直接整存整取就好了,不用去管中间是怎么修改的,怎么映射到数据库的。但缺点是不太高效,比如想要编辑某个叶子节点,查询和更新都没有纯关系型数据那么方便。所以如果你的业务足够简单,数据量也很小,可以使用JSON。否则,还是推荐使用关系型数据来实现。

那如何在关系型数据应该如何设计,才能高效地存储和操作树形结构呢?我们用下图来作为例子:



区域关系


ps:这里假设有多棵树,根节点是亚洲、美洲等


我们首先想到的是用parent_id, 这个字段用来存储“父节点”,根节点的parent_id为0,这样就可以通过递归查询得到一棵树。

很明显,如果只是一个parent_id,我们如果想获得一棵树,当这棵树的深度比较深时,我们需要查询很多次数据库,效率非常低。那有没有什么办法可以一次性把整棵树都查出来呢?我们尝试加一个root_id,用来表示这棵树的根节点。
id  parent_id   root_id   name
1       0         0       亚洲
2       0         0       美洲
3       1         1       中国
4       1         1       日本
5       1         1       韩国
6       3         1       四川省
那么问题来了,如果是想查询某一个节点的子树,该怎么做呢?是不是觉得不太方便?下面我们推荐另外一种表示方式:「full id path」,每个节点记录下从根节点到自己的id路径,如下:
id  full_id_path    name
1     /1            亚洲
2     /2            美洲
3     /1/3          中国
4     /1/4          日本
5     /1/5          韩国
6     /1/3/6        四川省
7     /1/3/6/7      成都市
这样如果我们想查询一棵树,只需要使用like语句前缀匹配就行了。比如想查询“四川省”下面有哪些市:
SELECT * FROM table
WHERE full_id_path like "/1/3/6%";
如果是更新了一棵树中节点的关系,只需要维护好这个节点及其子节点的full_id_path字段就行了。一般来讲,这种full id path设计能够满足绝大多数树形结构的业务要求。

但如果你的id是「UUID」类型的,如果深度比较高,那full_id_path字段就会比较长,且并不易读。这个时候我们建议使用一个唯一的,有业务意义的code来表示路径,字段名改为叫full_path。比如要表示成都市:
'/Asian/China/SiChuan/Chengdu'
数据库的设计还是要根据业务来,没有绝对的银弹。有时候,我们会加上level字段表示每个节点在树中的层级位置,用于「在应用代码层面更方便、高效地拼接树」。

设计模式 - 组合模式
接下来我们介绍在代码层面,如何去优雅地使用树形结构。其实前辈们已经为我们总结出了一种非常优秀的设计模式——组合模式,又称为“部分整体模式”,专门针对树形结构。

组合模式的精髓在于,你不用把一棵树“树”的概念和一个单独的“节点”分开处理,而是都视为同一种对象来处理。下面我们依然以上面的区域关系为例,来介绍组合模式如何使用。

首先我们来看一个经典的组合模式中的三个概念:

Component:抽象接口,定义组合的外观行为;
Composite:容器对象,表示“有孩子”的节点;
Leaf:叶子节点,表示“没有孩子”的节点。

下面上Java代码实现:
/**
 * 组合模式抽象接口
 */
public interface LocationComponent {

    String getPath();

    void display();

    void add(LocationComponent component);

    void remove(LocationComponent component);

    Map<String, LocationComponent> getChildren();
}
/**
 * 容器对象,表示有孩子的节点
 */
public class LocationComposite implements LocationComponent {

    private Long id;
    private String name;
    private String fullPath;
    private Map<String, LocationComponent> children = new HashMap<>();

    @Override
    public String getPath() {
        return fullPath;
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println(name);
    }

    @Override
    public void add(LocationComponent component) {
        component.fullPath = this.fullPath + "/" + component.id;
        children.put(component.getPath(), component);
    }

    @Override
    public void remove(LocationComponent component) {
        children.remove(component.getPath());
    }

    @Override
    public Map<String, LocationComponent> getChildren() {
        return children;
    }
}
/**
 * 叶子节点
 */
public class LocationLeaf implements LocationComponent {

    private Long id;
    private String name;
    private String fullPath;

    @Override
    public String getPath() {
        return fullPath;
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println(name);
    }

    @Override
    public void add(LocationComponent component) {
        throw  new UnsupportedOperationException();
    }

    @Override
    public void remove(LocationComponent component) {
        throw  new UnsupportedOperationException();
    }

    @Override
    public Map<String, LocationComponent> getChildren() {
        throw  new UnsupportedOperationException();
    }
}
那么问题来了,我有必要把节点分成Leaf和Composite吗?Leaf也实现Component接口,但抛那么多UnsupportedOperationException意义何在?我为什么不用同一个对象来表示Composite和Leaf?

其实从这里我们就可以看到,经典的设计模式也不是银弹。「我们学设计模式,学的是思想,而不是固定的套路,最终还是要结合业务」。比如上面的代码,明显就不适合我们的“区域”业务,比如我想在高新区下面再细分“街道”,这个代码就很难扩展了。

但如果你的业务是做一个「文件系统」,我们可以很明显的知道,文件和文件夹的区别。文件就是一个Leaf,它必然不支持add、remove、getChildren等操作,而文件夹是必须有这些操作的,是一个Composite。这个时候就可以用上面的代码设计了。同时,上面的Map也可以换成List等其它容器类型。

所以我们要活学活用,针对我们的区域业务,可以直接用一个Component来表示:
/**
 * 区域接口,可扩展成无限深度
 */
public class AreaComponent {
    private Long id;
    private String name;
    private String fullPath;
    private Map<String, AreaComponent> children = new HashMap<>();

    public String getPath() {
        return fullPath;
    }

    public void display() {
        System.out.println(name);
    }

    public void add(AreaComponent component) {
        component.fullPath = this.fullPath + "/" + component.id;
        children.put(component.getPath(), component);
    }

    public void remove(AreaComponent component) {
        children.remove(component.getPath());
    }

    public Map<String, AreaComponent> getChildren() {
        return children;
    }
}
前端设计
作为一个有志向的全栈工程师,当然不能只满足于数据库和后端层面。前端组件代码也要自己上手~

相信现在的前端小伙伴们都应该熟悉一种或多种令人闻风丧胆的“三大”前端主流框架。现在的前端框架都推荐“组件化”开发,把页面分成一个一个小的组件。很明显,组件层层嵌套,其实本质上也是一个树的形式,最终也会渲染出一个DOM树对象。
带你通关全栈树型结构设计:从数据库到前端

组件树

我们以Vue为例,对于上文提到的区域划分业务,如果后端返回的是一条条带有full_path的扁平数据,前端应该如何优雅地构建基于业务的树形结构呢?答案就是使用「递归组件」。

递归组件,简单来说就是「在组件中内使用组件本身」, 对于Vue来说,其核心就在于使用name字段。效果大概是这样:




还是按照惯例,上代码。先来一个表示“区域”的组件:
<template>
  <div class="node" :style="{paddingLeft: self.level * 20 + 'px'}">
    <p>{{self.name}}</p>
    <div v-for="child in children" :key="child.id">
      <Area v-if="`children.length != 0`" :self="child" :all="all"/>
    </div>
  </div>
</template>
<script>
export default {
  name: 'Area',
  props: {
    self: Object,
    all: Array
  },
  computed: {
    children() {
      // 根据full_path和level,过滤出子组件
   return this.all.filter(item => item.full_path.startsWith(this.self.full_path) && item.level == this.self.level + 1);
    }
  }
}
</script>
入口:
<template>
  <div id="app">
    <Area :self="all[0]" :all="all" />
  </div>
</template>
<script>
import Area from './components/Area.vue'

export default {
  name: 'App',
  components: {
    Area
  },
  data() {
    return {
      // 所有数据
      all: [
        { id: 1, level: 1, full_path: '/1', name: '亚洲' },
        { id: 2, level: 1, full_path: '/2', name: '美洲' },
        { id: 3, level: 2, full_path: '/1/3', name: '中国' },
        { id: 4, level: 2, full_path: '/1/4', name: '日本' },
        { id: 5, level: 3, full_path: '/1/3/5', name: '四川省' },
        { id: 6, level: 3, full_path: '/1/3/6', name: '浙江省' },
        { id: 7, level: 4, full_path: '/1/3/5/7', name: '成都市' }
      ]
    }
  }
}
</script>

当然了,这只是其中一种写法,你也可以在外面组装好一个带children的对象传进去。

思考:计算和组装放在前端还是后端?
又到了我们一天一度的前后端撕逼环节。作为一个假装是全栈的后端同学来说,笔者认为针对这个问题,我有必要说一句公道话:在前端组装比较好。

众所周知,在当今前端越来越繁荣的大环境下,前端承担着越来越重要的角色,有很多数据的计算也会放在前端。针对于这种树状结构的拼装来说,放在前后端其实都可以的。但是放在前端有一个好处,那就是「可以将计算消耗的时间和资源从服务端转移到客户端」。

现在的后端架构也越来越倾向于读写分离,所以在读的时候,多半不会进行太多的操作,不需要组装整棵树。这种情况下,建议直接把数据返回前端,由前端来组装成整棵树。

当然,这只是一个建议,具体在什么时机组装,还是由业务规则以及团队商量决定~

好了,以上就是从数据库到前端的树形结构实现,有任何问题欢迎留言讨论~

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