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设计模式 17 组合模式 Composite Pattern

1.定义

组合模式（Composite Pattern），又叫部分整体模式，是用于把一组相似的对象当作一个单一的对象。组合模式依据树形结构来组合对象，用来表示部分以及整体层次。这种类型的设计模式属于结构型模式，它创建了对象组的树形结构。
这种模式创建了一个包含自己对象组的类。该类提供了修改相同对象组的方式。它允许你将对象组合成树形结构，以表示“部分-整体”层次关系。它将单个对象和组合对象都视为相同类型的对象，从而使你能够统一地处理它们

核心思想:

将单个对象和组合对象都视为相同类型的对象，即它们都实现相同的接口或抽象类。
组合对象可以包含其他对象，形成树形结构。
客户端代码可以统一地处理单个对象和组合对象。

2.内涵

组合模式的内涵在于它提供了一种 统一处理单个对象和组合对象 的方法，从而简化代码、提高可扩展性和可重用性。

核心内涵

• 树形结构: 组合模式的核心是构建一个树形结构，以表示“部分-整体”层次关系。树的节点可以是单个对象（叶子节点）或组合对象（非叶子节点）。
• 统一接口: 组合模式要求所有组件（包括单个对象和组合对象）都实现相同的接口或抽象类。这使得客户端代码可以统一地处理所有组件，而无需关心它们是单个对象还是组合对象。
• 递归操作: 组合模式通常使用递归来处理组合对象。当对组合对象进行操作时，它会递归地对它的子组件进行相同操作。
• 简化代码: 由于所有组件都具有相同的接口，客户端代码可以统一地处理它们，避免了对不同类型对象的特殊处理。
• 提高可扩展性: 可以轻松地添加新的组件类型，而无需修改现有代码。因为新的组件只需要实现相同的接口即可。
• 增强灵活性和可重用性: 可以灵活地组合不同的组件，以创建不同的结构，并可以将这些结构重用在不同的场景中

3.案例分析

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <list>
#include <string>class Component {/*** @var Component*/protected:Component *parent_;public:virtual ~Component() {}void SetParent(Component *parent) {this->parent_ = parent;}Component *GetParent() const {return this->parent_;}virtual void Add(Component *component) {}virtual void Remove(Component *component) {}virtual bool IsComposite() const {return false;}virtual std::string Operation() const = 0;
};class Leaf : public Component {public:std::string Operation() const override {return "Leaf";}
};class Composite : public Component {protected:std::list<Component *> children_;public:void Add(Component *component) override {this->children_.push_back(component);component->SetParent(this);}void Remove(Component *component) override {children_.remove(component);component->SetParent(nullptr);}bool IsComposite() const override {return true;}std::string Operation() const override {std::string result;for (const Component *c : children_) {if (c == children_.back()) {result += c->Operation();} else {result += c->Operation() + "+";}}return "Branch(" + result + ")";}
};void ClientCode(Component *component) {// ...std::cout << "RESULT: " << component->Operation();// ...
}void ClientCode2(Component *component1, Component *component2) {// ...if (component1->IsComposite()) {component1->Add(component2);}std::cout << "RESULT: " << component1->Operation();// ...
}int main() {Component *simple = new Leaf;std::cout << "Client: I've got a simple component:\n";ClientCode(simple);std::cout << "\n\n";Component *tree = new Composite;Component *branch1 = new Composite;Component *leaf_1 = new Leaf;Component *leaf_2 = new Leaf;Component *leaf_3 = new Leaf;branch1->Add(leaf_1);branch1->Add(leaf_2);Component *branch2 = new Composite;branch2->Add(leaf_3);tree->Add(branch1);tree->Add(branch2);std::cout << "Client: Now I've got a composite tree:\n";ClientCode(tree);std::cout << "\n\n";std::cout << "Client: I don't need to check the components classes even when managing the tree:\n";ClientCode2(tree, simple);std::cout << "\n";delete simple;delete tree;delete branch1;delete branch2;delete leaf_1;delete leaf_2;delete leaf_3;return 0;
}

以上代码UML图如下所示：

4.注意事项

在使用组合模式进行开发时，需要考虑以下几个注意事项：

1. 避免循环引用:

组合模式中，组件之间可以相互嵌套，形成树形结构。如果出现循环引用，会导致无限递归，最终导致程序崩溃。
例如，文件夹 A 包含文件夹 B，文件夹 B 又包含文件夹 A，就会形成循环引用。
避免循环引用的方法是仔细设计组件之间的关系，确保没有相互依赖的循环。
2. 谨慎使用递归:

组合模式中，通常使用递归来处理组合对象。递归虽然方便，但可能会导致栈溢出，尤其是在处理大型树形结构时。
为了避免栈溢出，可以考虑使用迭代的方式来代替递归，或者使用尾递归优化。
3. 考虑性能:

组合模式中，对组合对象的访问可能会涉及多个子组件的访问，因此需要考虑性能问题。
为了提高性能，可以考虑使用缓存机制，或者使用更轻量级的结构来代替树形结构。
4. 确保接口的完整性:

组合模式中，所有组件都必须实现相同的接口。因此，需要确保接口的完整性，包含所有必要的操作方法。
接口应该尽可能地抽象，避免与具体实现细节相关联。
5. 避免过度使用:

组合模式是一种强大的模式，但它并不适合所有场景。如果你的系统结构比较简单，或者没有明显的“部分-整体”层次关系，则不需要使用组合模式。
在选择设计模式时，需要权衡利弊，选择最适合的模式

5.最佳实践

组合模式是一个强大的工具，但要有效地运用它，需要遵循一些最佳实践：

1. 明确“部分-整体”层次关系:

首先，要确保你的系统中存在明显的“部分-整体”层次关系。例如，文件系统中的文件夹和文件，组织结构中的部门和员工，图形界面中的容器和组件等。
只有在存在这种层次关系的情况下，组合模式才能发挥其优势。
2. 设计清晰的组件接口:

定义一个抽象的 Component 接口，所有组件（包括单个对象和组合对象）都必须实现这个接口。
接口应该包含所有必要的操作方法，例如 add(), remove(), getChild(), getName(), getSize() 等，这些方法应该能够适用于所有类型的组件。
3. 确保接口的完整性:

接口应该尽可能地抽象，避免与具体实现细节相关联。
同时，接口应该包含所有必要的操作方法，以支持所有可能的用例。
4. 谨慎使用递归:

递归是处理组合对象的一种常见方式，但它可能会导致栈溢出，尤其是在处理大型树形结构时。
可以考虑使用迭代的方式来代替递归，或者使用尾递归优化。
5. 考虑性能:

在处理大型树形结构时，性能是一个重要因素。
可以考虑使用缓存机制，或者使用更轻量级的结构来代替树形结构。
6. 避免过度使用:

组合模式并不适合所有场景。如果你的系统结构比较简单，或者没有明显的“部分-整体”层次关系，则不需要使用组合模式。
在选择设计模式时，需要权衡利弊，选择最适合的模式。
7. 使用示例代码进行验证:

在实际应用中，可以使用示例代码来验证组合模式的实现是否符合预期。
通过测试用例，可以确保组合模式能够正确地处理各种情况。

6.总结

组合模式的内涵在于它通过统一接口和递归操作，将单个对象和组合对象统一起来，简化了代码，提高了可扩展性和可重用性。它为构建灵活、可扩展和可重用的树形结构提供了强大的支持。