组合模式详解

码事漫谈

发布于 2024-12-20 12:51:27

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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