结构型模式之组合模式

在现实生活中,存在很多“部分-整体”的关系,例如,大学中的部门与学院、总公司中的部门与分公司、学习用品中的书与书包、生活用品中的衣月艮与衣柜以及厨房中的锅碗瓢盆等。
在软件开发中也是这样,例如,文件系统中的文件与文件夹、窗体程序中的简单控件与容器控件等。对这些简单对象与复合对象的处理,如果用组合模式来实现会很方便。

定义与特点

组合(Composite)模式的定义:有时又叫作部分-整体模式,它是一种将对象组合成树状的层次结构的模式,用来表示“部分-整体”的关系,使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性。

组合模式的主要优点有:

  • 组合模式使得客户端代码可以一致地处理单个对象和组合对象,无须关心自己处理的是单个对象,还是组合对象,这简化了客户端代码

  • 更容易在组合体内加入新的对象,客户端不会因为加入了新的对象而更改源代码,满足“开闭原则”

其主要缺点是:

  • 设计较复杂,客户端需要花更多时间理清类之间的层次关系;

  • 不容易限制容器中的构件;

  • 不容易用继承的方法来增加构件的新功能;

结构与实现

模式的结构

组合模式包含以下主要角色:

  • 抽象构件(Component)角色:它的主要作用是为树叶构件和树枝构件声明公共接口,并实现它们的默认行为。在透明式的组合模式中抽象构件还声明访问和管理子类的接口;在安全式的组合模式中不声明访问和管理子类的接口,管理工作由树枝构件完成。

  • 树叶构件(Leaf)角色:是组合中的叶节点对象,它没有子节点,用于实现抽象构件角色中 声明的公共接口。

  • 树枝构件(Composite)角色:是组合中的分支节点对象,它有子节点。它实现了抽象构件角色中声明的接口,它的主要作用是存储和管理子部件,通常包含 Add()、Remove()、GetChild() 等方法

组合模式分为透明式的组合模式和安全式的组合模式

  • 透明方式:在该方式中,由于抽象构件声明了所有子类中的全部方法,所以客户端无须区别树叶对象和树枝对象,对客户端来说是透明的。但其缺点是:树叶构件本来没有 Add()、Remove() 及 GetChild() 方法,却要实现它们(空实现或抛异常),这样会带来一些安全性问题。其结构图如图所示:

  • 安全方式:在该方式中,将管理子构件的方法移到树枝构件中,抽象构件和树叶构件没有对子对象的管理方法,这样就避免了上一种方式的安全性问题,但由于叶子和分支有不同的接口,客户端在调用时要知道树叶对象和树枝对象的存在,所以失去了透明性。其结构图如图所示:

模式的实现

假如要访问集合 c0={leaf1,{leaf2,leaf3}} 中的元素,其对应的树状图如图所示:

下面给出透明式的组合模式的实现代码,安全式的组合模式与之类似:

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        IComponent c0=new Composite();
        IComponent c1=new Composite();
        IComponent leaf1=new Leaf("1");
        IComponent leaf2=new Leaf("2");
        IComponent leaf3=new Leaf("3");
        c0.Add(leaf1);
        c0.Add(c1);
        c1.Add(leaf2);
        c1.Add(leaf3);
        c0.Operation();
        Console.Read();
    }
}

//抽象构件
public interface IComponent
{
    void Add(IComponent c);
    void Remove(IComponent c);
    IComponent GetChild(int i);
    void Operation();
}

//树叶构件
public class Leaf : IComponent
{
    private String name;
    public Leaf(String name)
    {
        this.name=name;
    }
    public void Add(IComponent c){ }
    public void Remove(IComponent c){ }
    public IComponent GetChild(int i)
    {
        return null;
    }
    public void Operation()
    {
        Console.WriteLine("树叶"+name+":被访问!");
    }
}

//树枝构件
public class Composite : IComponent
{
    private List<IComponent> children=new List<IComponent>();
    public void Add(IComponent c)
    {
        children.Add(c);
    }
    public void Remove(IComponent c)
    {
        children.Remove(c);
    }
    public IComponent GetChild(int i)
    {
        return children[i];
    }
    public void Operation()
    {
        foreach (var obj in children)
    {
    obj.Operation();
    }
    }
}

程序运行结果如下:

树叶1:被访问!
树叶2:被访问!
树叶3:被访问!

应用场景

前面分析了组合模式的结构与特点,下面分析它适用的以下应用场景:

  • 在需要表示一个对象整体与部分的层次结构的场合。

  • 要求对用户隐藏组合对象与单个对象的不同,用户可以用统一的接口使用组合结构中的所有对象的场合。

扩展:树叶节点和树枝节点进行抽象

如果对前面介绍的组合模式中的树叶节点和树枝节点进行抽象,也就是说树叶节点和树枝节点还有子节点,这时组合模式就扩展成复杂的组合模式了,如 Java AWT/Swing 中的简单组件 JTextComponent 有子类 JTextField、JTextArea,容器组件 Container 也有子类 Window、Panel。复杂的组合模式的结构图如图所示:

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