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

1. 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。
   
2. 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。
   
3. 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。
   
4. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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

1. 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。
2. 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

总结

1. 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。
2. 使用时注意：合理管理子节点，避免误操作导致结构混乱。
3. 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。