設計模式（十）組合模式（Composite Pattern）

来源:http://www.cnblogs.com/xiongzaiqiren/archive/2016/03/28/5328228.html
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一、引言 在軟體開發過程中，我們經常會遇到處理簡單對象和複合對象的情況，例如對操作系統中目錄的處理就是這樣的一個例子，因為目錄可以包括單獨的文件，也可以包括文件夾，文件夾又是由文件組成的，由於簡單對象和複合對象在功能上區別，導致在操作過程中必須區分簡單對象和複合對象，這樣就會導致客戶調用帶來不必要的 ...


一、引言

　　在軟體開發過程中，我們經常會遇到處理簡單對象和複合對象的情況，例如對操作系統中目錄的處理就是這樣的一個例子，因為目錄可以包括單獨的文件，也可以包括文件夾，文件夾又是由文件組成的，由於簡單對象和複合對象在功能上區別，導致在操作過程中必須區分簡單對象和複合對象，這樣就會導致客戶調用帶來不必要的麻煩，然而作為客戶，它們希望能夠始終一致地對待簡單對象和複合對象。然而組合模式就是解決這樣的問題。下麵讓我們看看組合模式是怎樣解決這個問題的。

二、組合模式的詳細介紹

2.1 組合模式的定義

　　組合模式允許你將對象組合成樹形結構來表現”部分-整體“的層次結構，使得客戶以一致的方式處理單個對象以及對象的組合。下麵我們用繪製的例子來詳細介紹組合模式，圖形可以由一些基本圖形元素組成（如直線，圓等），也可以由一些複雜圖形組成（由基本圖形元素組合而成），為了使客戶對基本圖形和複雜圖形的調用保持一致，我們使用組合模式來達到整個目的。

　　組合模式實現的最關鍵的地方是——簡單對象和複合對象必須實現相同的介面。這就是組合模式能夠將組合對象和簡單對象進行一致處理的原因。

2.2 組合模式的實現

介紹完組合模式的定義之後，讓我們以圖形的例子來實現組合模式，具體代碼如下：

    // 通過一些簡單圖形以及一些複雜圖形構建圖形樹來演示組合模式
    // 客戶端調用
    class Client
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ComplexGraphics complexGraphics = new ComplexGraphics("一個複雜圖形和兩條線段組成的複雜圖形");
            complexGraphics.Add(new Line("線段A"));
            ComplexGraphics CompositeCG = new ComplexGraphics("一個圓和一條線組成的複雜圖形");
            CompositeCG.Add(new Circle("圓"));
            CompositeCG.Add(new Circle("線段B"));
            complexGraphics.Add(CompositeCG);
            Line l = new Line("線段C");
            complexGraphics.Add(l);
            // 顯示覆雜圖形的畫法
            Console.WriteLine("複雜圖形的繪製如下：");
            Console.WriteLine("---------------------");
            complexGraphics.Draw();
            Console.WriteLine("複雜圖形繪製完成");
            Console.WriteLine("---------------------");
            Console.WriteLine();
            // 移除一個組件再顯示覆雜圖形的畫法
            complexGraphics.Remove(l);
            Console.WriteLine("移除線段C後，複雜圖形的繪製如下：");
            Console.WriteLine("---------------------");
            complexGraphics.Draw();
            Console.WriteLine("複雜圖形繪製完成");
            Console.WriteLine("---------------------");
            Console.Read();
        }
    }
    /// <summary>
    /// 圖形抽象類，
    /// </summary>
    public abstract class Graphics
    {
        public string Name { get; set; }
        public Graphics(string name)
        {
            this.Name = name;
        }
        public abstract void Draw();
        public abstract void Add(Graphics g);
        public abstract void Remove(Graphics g);
    }
    /// <summary>
    /// 簡單圖形類——線
    /// </summary>
    public class Line : Graphics
    {
        public Line(string name)
            : base(name)
        { }
        // 重寫父類抽象方法
        public override void Draw()
        {
            Console.WriteLine("畫  " + Name);
        }
        // 因為簡單圖形在添加或移除其他圖形，所以簡單圖形Add或Remove方法沒有任何意義
        // 如果客戶端調用了簡單圖形的Add或Remove方法將會在運行時拋出異常
        // 我們可以在客戶端捕獲該類移除並處理
        public override void Add(Graphics g)
        {
            throw new Exception("不能向簡單圖形Line添加其他圖形");
        }
        public override void Remove(Graphics g)
        {
            throw new Exception("不能向簡單圖形Line移除其他圖形");
        }
    }
    /// <summary>
    /// 簡單圖形類——圓
    /// </summary>
    public class Circle : Graphics
    {
        public Circle(string name)
            : base(name)
        { }
        // 重寫父類抽象方法
        public override void Draw()
        {
            Console.WriteLine("畫  " + Name);
        }
        public override void Add(Graphics g)
        {
            throw new Exception("不能向簡單圖形Circle添加其他圖形");
        }
        public override void Remove(Graphics g)
        {
            throw new Exception("不能向簡單圖形Circle移除其他圖形");
        }
    }
    /// <summary>
    /// 複雜圖形，由一些簡單圖形組成,這裡假設該複雜圖形由一個圓兩條線組成的複雜圖形
    /// </summary>
    public class ComplexGraphics : Graphics
    {
        private List<Graphics> complexGraphicsList = new List<Graphics>();
        public ComplexGraphics(string name)
            : base(name)
        { }
        /// <summary>
        /// 複雜圖形的畫法
        /// </summary>
        public override void Draw()
        {        
            foreach (Graphics g in complexGraphicsList)
            {
                g.Draw();
            }
        }
        public override void Add(Graphics g)
        {
            complexGraphicsList.Add(g);
        }
        public override void Remove(Graphics g)
        {
            complexGraphicsList.Remove(g);
        }
    }

　　由於基本圖形對象不存在Add和Remove方法，上面實現中直接通過拋出一個異常的方式來解決這樣的問題的，但是我們想以一種更安全的方式來解決——因為基本圖形根本不存在這樣的方法，我們是不是可以移除這些方法呢？為了移除這些方法，我們就不得不修改Graphics介面，我們把管理子對象的方法聲明放在複合圖形對象裡面，這樣簡單對象Line、Circle使用這些方法時在編譯時就會出錯，這樣的一種實現方式我們稱為安全式的組合模式，然而上面的實現方式稱為透明式的組合模式，下麵讓我們看看安全式的組合模式又是怎樣實現的，具體實現代碼如下：

    /// 安全式的組合模式
    /// 此方式實現的組合模式把管理子對象的方法聲明在樹枝構件ComplexGraphics類中
    /// 這樣如果葉子節點Line、Circle使用了Add或Remove方法時，就能在編譯期間出現錯誤
    /// 但這種方式雖然解決了透明式組合模式的問題，但是它使得葉子節點和樹枝構件具有不一樣的介面。
    /// 所以這兩種方式實現的組合模式各有優缺點，具體使用哪個，可以根據問題的實際情況而定
    class Client
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ComplexGraphics complexGraphics = new ComplexGraphics("一個複雜圖形和兩條線段組成的複雜圖形");
            complexGraphics.Add(new Line("線段A"));
            ComplexGraphics CompositeCG = new ComplexGraphics("一個圓和一條線組成的複雜圖形");
            CompositeCG.Add(new Circle("圓"));
            CompositeCG.Add(new Circle("線段B"));
            complexGraphics.Add(CompositeCG);
            Line l = new Line("線段C");
            complexGraphics.Add(l);
            // 顯示覆雜圖形的畫法
            Console.WriteLine("複雜圖形的繪製如下：");
            Console.WriteLine("---------------------");
            complexGraphics.Draw();
            Console.WriteLine("複雜圖形繪製完成");
            Console.WriteLine("---------------------");
            Console.WriteLine();
            // 移除一個組件再顯示覆雜圖形的畫法
            complexGraphics.Remove(l);
            Console.WriteLine("移除線段C後，複雜圖形的繪製如下：");
            Console.WriteLine("---------------------");
            complexGraphics.Draw();
            Console.WriteLine("複雜圖形繪製完成");
            Console.WriteLine("---------------------");
            Console.Read();
        }
    }
    /// <summary>
    /// 圖形抽象類，
    /// </summary>
    public abstract class Graphics
    {
        public string Name { get; set; }
        public Graphics(string name)
        {
            this.Name = name;
        }
        public abstract void Draw();
        // 移除了Add和Remove方法
        // 把管理子對象的方法放到了ComplexGraphics類中進行管理
        // 因為這些方法只在複雜圖形中才有意義
    }
    /// <summary>
    /// 簡單圖形類——線
    /// </summary>
    public class Line : Graphics
    {
        public Line(string name)
            : base(name)
        { }
        // 重寫父類抽象方法
        public override void Draw()
        {
            Console.WriteLine("畫  " + Name);
        }
    }
    /// <summary>
    /// 簡單圖形類——圓
    /// </summary>
    public class Circle : Graphics
    {
        public Circle(string name)
            : base(name)
        { }
        // 重寫父類抽象方法
        public override void Draw()
        {
            Console.WriteLine("畫  " + Name);
        }
    }
    /// <summary>
    /// 複雜圖形，由一些簡單圖形組成,這裡假設該複雜圖形由一個圓兩條線組成的複雜圖形
    /// </summary>
    public class ComplexGraphics : Graphics
    {
        private List<Graphics> complexGraphicsList = new List<Graphics>();
        public ComplexGraphics(string name)
            : base(name)
        { }
        /// <summary>
        /// 複雜圖形的畫法
        /// </summary>
        public override void Draw()
        {
            foreach (Graphics g in complexGraphicsList)
            {
                g.Draw();
            }
        }
        public void Add(Graphics g)
        {
            complexGraphicsList.Add(g);
        }
        public void Remove(Graphics g)
        {
            complexGraphicsList.Remove(g);
        }
    }

2.3 組合模式的類圖

　　看完了上面兩者方式的實現之後，讓我們具體看看組合模式的類圖來理清楚組合模式中類之間的關係。

透明式的組合模式類圖：

安全式組合模式的類圖：

組合模式中涉及到三個角色：

　　抽象構件（Component）角色：這是一個抽象角色，上面實現中Graphics充當這個角色，它給參加組合的對象定義出了公共的介面及預設行為，可以用來管理所有的子對象（在透明式的組合模式是這樣的）。在安全式的組合模式里，構件角色並不定義出管理子對象的方法，這一定義由樹枝結構對象給出。
　　樹葉構件（Leaf）角色：樹葉對象時沒有下級子對象的對象，上面實現中Line和Circle充當這個角色，定義出參加組合的原始對象的行為
　　樹枝構件（Composite）角色：代表參加組合的有下級子對象的對象，上面實現中ComplexGraphics充當這個角色，樹枝對象給出所有管理子對象的方法實現，如Add、Remove等。

三、組合模式的優缺點

優點：

　　1，組合模式使得客戶端代碼可以一致地處理對象和對象容器，無需關係處理的單個對象，還是組合的對象容器。
　　2，將”客戶代碼與複雜的對象容器結構“解耦。
　　3，可以更容易地往組合對象中加入新的構件。

缺點：

　　使得設計更加複雜。客戶端需要花更多時間理清類之間的層次關係。（這個是幾乎所有設計模式所面臨的問題）。

註意的問題：

　　1，有時候系統需要遍歷一個樹枝結構的子構件很多次，這時候可以考慮把遍歷子構件的結構存儲在父構件裡面作為緩存。
　　2，客戶端儘量不要直接調用樹葉類中的方法（在我上面實現就是這樣的，創建的是一個樹枝的具體對象，應該使用GraphicscomplexGraphics = new ComplexGraphics("一個複雜圖形和兩條線段組成的複雜圖形");），而是借用其父類（Graphics）的多態性完成調用，這樣可以增加代碼的復用性。

四、組合模式的使用場景

在以下情況下應該考慮使用組合模式：

　　1，需要表示一個對象整體或部分的層次結構。
　　2，希望用戶忽略組合對象與單個對象的不同，用戶將統一地使用組合結構中的所有對象。


五、組合模式在.NET中的應用

　　組合模式在.NET 中最典型的應用就是應用與WinForms和Web的開發中，在.NET類庫中，都為這兩個平臺提供了很多現有的控制項，然而System.Windows.Forms.dll中System.Windows.Forms.Control類就應用了組合模式，因為控制項包括Label、TextBox等這樣的簡單控制項，同時也包括GroupBox、DataGrid這樣複合的控制項，每個控制項都需要調用OnPaint方法來進行控制項顯示，為了表示這種對象之間整體與部分的層次結構，微軟把Control類的實現應用了組合模式（確切地說應用了透明式的組合模式）。

六、總結

　　到這裡組合模式的介紹就結束了，組合模式解耦了客戶程式與複雜元素內部結構，從而使客戶程式可以向處理簡單元素一樣來處理複雜元素。

 

以上內容摘抄自：http://learninghard.blog.51cto.com/6146675/1312735

 


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