组合模式（Composite Pattern）详解
定义
组合模式是一种结构型设计模式，它将对象组织成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，使客户端对单个对象和对象组合的使用具有一致性。
组合模式的结构
核心角色
- 抽象组件（Component）
声明组合中对象的接口，定义了叶子节点和容器节点的共同行为。 - 叶子节点（Leaf）
叶子对象表示树的叶节点，没有子节点，负责实现抽象组件的行为。 - 容器节点（Composite）
容器对象包含子节点，负责实现管理子节点的操作（如添加、移除子节点），并实现抽象组件的行为。 - 客户端（Client）
通过抽象组件与树形结构进行交互，不关心是单个对象还是组合结构。
组合模式的适用场景
- 需要表示树形结构的对象：如文件系统、组织架构、图形界面中的组件。
- 希望客户端可以一致地处理单个对象和组合对象：无论是单一对象还是组合结构，都以统一的方式对待。
- 避免繁琐的类型检查：通过抽象组件的统一接口，客户端不需要关注对象的具体类型。
组合模式的优缺点
优点
- 一致性：客户端可以一致地操作单个对象和组合对象，简化了代码。
- 灵活性：通过组合不同的对象，可以轻松构建复杂的树形结构。
- 扩展性：添加新的叶子节点或容器节点时无需修改现有代码。
缺点
- 复杂性增加：需要引入更多的类和接口来表示树形结构，增加了系统的复杂性。
- 对子节点的管理不够严格：由于客户端可能直接操作子节点，可能导致树形结构的混乱。
组合模式的类图
使用案例
案例 1：文件系统
- 描述：在一个文件系统中，文件和文件夹都可以作为抽象组件。文件夹可以包含文件或其他文件夹，文件是叶子节点。
- 操作：对文件和文件夹进行打开、删除等操作。
案例 2：图形系统
- 描述：在一个图形系统中，基本形状（如圆形、矩形）和复杂图形（由基本形状组合而成）都可以作为组件。
- 操作：绘制基本形状和复杂图形。
C++ 实现
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
using namespace std;
// 抽象组件
class Component {
public:
virtual void operation() const = 0;
virtual ~Component() = default;
};
// 叶子节点
class Leaf : public Component {
private:
string name;
public:
explicit Leaf(const string& name) : name(name) {}
void operation() const override {
cout << "Leaf: " << name << endl;
}
};
// 容器节点
class Composite : public Component {
private:
vector<shared_ptr<Component>> children;
public:
void add(const shared_ptr<Component>& component) {
children.push_back(component);
}
void remove(const shared_ptr<Component>& component) {
children.erase(remove(children.begin(), children.end(), component), children.end());
}
void operation() const override {
cout << "Composite contains:" << endl;
for (const auto& child : children) {
child->operation();
}
}
};
// 客户端代码
int main() {
auto leaf1 = make_shared<Leaf>("Leaf 1");
auto leaf2 = make_shared<Leaf>("Leaf 2");
auto composite = make_shared<Composite>();
composite->add(leaf1);
composite->add(leaf2);
composite->operation();
return 0;
}
C# 实现
using System;
using System.Collections.Generic;
// 抽象组件
public abstract class Component {
public abstract void Operation();
}
// 叶子节点
public class Leaf : Component {
private string name;
public Leaf(string name) {
this.name = name;
}
public override void Operation() {
Console.WriteLine($"Leaf: {name}");
}
}
// 容器节点
public class Composite : Component {
private readonly List<Component> children = new List<Component>();
public void Add(Component component) {
children.Add(component);
}
public void Remove(Component component) {
children.Remove(component);
}
public override void Operation() {
Console.WriteLine("Composite contains:");
foreach (var child in children) {
child.Operation();
}
}
}
// 客户端代码
class Program {
static void Main() {
var leaf1 = new Leaf("Leaf 1");
var leaf2 = new Leaf("Leaf 2");
var composite = new Composite();
composite.Add(leaf1);
composite.Add(leaf2);
composite.Operation();
}
}
知识点对比表
| 特性 | 叶子节点（Leaf） | 容器节点（Composite） |
| 是否包含子节点 | 否 | 是 |
| 操作方式 | 实现具体功能 | 管理子节点并实现功能 |
| 典型场景 | 文件、图形基本形状等 | 文件夹、组合图形等 |
| 设计复杂性 | 简单 | 较复杂 |
总结
- 组合模式的关键：将单个对象和组合对象统一为树形结构，提供一致的操作方式。
- 使用时注意：合理管理子节点，避免误操作导致结构混乱。
- 典型应用：文件系统、GUI组件树、组织架构。
组合模式通过分层和组合，极大地提高了系统处理树形结构的能力，同时也对客户端代码的实现进行了很好的封装和抽象。
