组合模式 (Composite)

组合模式 是一种结构型设计模式，它将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。组合模式使客户端对单个对象和组合对象的使用具有一致性。

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意图

• 将对象组合成树形结构，以表示“部分-整体”的层次结构。
• 使得客户端可以以一致的方式处理单个对象和对象的组合。

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使用场景

1. 需要表示部分与整体的层次结构：

   • 如文件系统、组织架构等。

2. 客户端需要以一致的方式处理单个对象和组合对象：

   • 统一处理方式简化了客户端的代码逻辑。

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参与者角色

1. 组件 (Component)

   • 定义了组合对象和叶子对象的公共接口。

2. 叶子 (Leaf)

   • 表示层次结构的叶子节点，没有子节点。

3. 组合 (Composite)

   • 表示层次结构中的非叶子节点，存储子节点，并实现与子节点相关的操作。

4. 客户端 (Client)

   • 通过组件接口与对象的组合结构交互，无需关心对象是叶子还是组合对象。

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示例代码

以下代码展示了如何使用组合模式实现文件系统的层次结构。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>// 组件接口：定义叶子和组合对象的公共接口
class FileSystemComponent {
public:virtual ~FileSystemComponent() = default;virtual void display(int indent = 0) const = 0; // 显示组件内容的接口virtual void add(FileSystemComponent* component) {throw std::runtime_error("Cannot add to a leaf component.");}virtual void remove(FileSystemComponent* component) {throw std::runtime_error("Cannot remove from a leaf component.");}
};// 叶子类：文件
class File : public FileSystemComponent {
private:std::string name;public:File(const std::string& fileName) : name(fileName) {}void display(int indent = 0) const override {std::cout << std::string(indent, ' ') << "- File: " << name << std::endl;}
};// 组合类：目录
class Directory : public FileSystemComponent {
private:std::string name;std::vector<FileSystemComponent*> children; // 存储子节点public:Directory(const std::string& dirName) : name(dirName) {}~Directory() {for (auto child : children) {delete child;}}void display(int indent = 0) const override {std::cout << std::string(indent, ' ') << "+ Directory: " << name << std::endl;for (const auto& child : children) {child->display(indent + 2);}}void add(FileSystemComponent* component) override {children.push_back(component);}void remove(FileSystemComponent* component) override {children.erase(std::remove(children.begin(), children.end(), component), children.end());delete component;}
};// 客户端代码
int main() {// 创建目录和文件Directory* root = new Directory("root");Directory* subDir1 = new Directory("subDir1");Directory* subDir2 = new Directory("subDir2");File* file1 = new File("file1.txt");File* file2 = new File("file2.txt");File* file3 = new File("file3.txt");// 构建文件系统结构root->add(subDir1);root->add(subDir2);subDir1->add(file1);subDir1->add(file2);subDir2->add(file3);// 显示文件系统结构root->display();// 清理内存delete root;return 0;
}

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代码解析

1. 组件接口 (FileSystemComponent)

• 定义了叶子和组合对象的公共接口，所有对象必须实现 display 方法。
• 提供了默认的 add 和 remove 方法，叶子类中默认抛出异常。

class FileSystemComponent {
public:virtual ~FileSystemComponent() = default;virtual void display(int indent = 0) const = 0;virtual void add(FileSystemComponent* component) {throw std::runtime_error("Cannot add to a leaf component.");}virtual void remove(FileSystemComponent* component) {throw std::runtime_error("Cannot remove from a leaf component.");}
};

2. 叶子类 (File)

• 表示树结构的叶子节点，例如文件。叶子节点没有子节点。

class File : public FileSystemComponent {
private:std::string name;public:File(const std::string& fileName) : name(fileName) {}void display(int indent = 0) const override {std::cout << std::string(indent, ' ') << "- File: " << name << std::endl;}
};

3. 组合类 (Directory)

• 表示树结构的非叶子节点，例如目录。组合对象可以包含叶子节点和其他组合对象。
• 提供 add 和 remove 方法，用于添加或移除子节点。

class Directory : public FileSystemComponent {
private:std::string name;std::vector<FileSystemComponent*> children;public:Directory(const std::string& dirName) : name(dirName) {}~Directory() {for (auto child : children) {delete child;}}void display(int indent = 0) const override {std::cout << std::string(indent, ' ') << "+ Directory: " << name << std::endl;for (const auto& child : children) {child->display(indent + 2);}}void add(FileSystemComponent* component) override {children.push_back(component);}void remove(FileSystemComponent* component) override {children.erase(std::remove(children.begin(), children.end(), component), children.end());delete component;}
};

4. 客户端

• 客户端通过 FileSystemComponent 接口与文件系统交互，不需要关心具体是叶子对象还是组合对象。

Directory* root = new Directory("root");
Directory* subDir1 = new Directory("subDir1");
File* file1 = new File("file1.txt");root->add(subDir1);
subDir1->add(file1);
root->display(); // 显示文件系统结构

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优缺点

优点

1. 统一接口：
   • 客户端可以以一致的方式处理单个对象和组合对象。
2. 灵活性高：
   • 可以很容易地扩展新类型的叶子节点或组合对象。
3. 简化客户端代码：
   • 客户端不需要了解对象的具体类型，简化了代码逻辑。

缺点

1. 可能导致系统复杂性增加：
   • 如果对象种类较多，系统会变得更加复杂。
2. 对子节点的管理较难：
   • 子节点的添加和删除操作可能需要额外的逻辑。

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适用场景

1. 需要表示部分与整体的层次结构：

   • 如图形系统中的图形组件、文件系统中的目录和文件。

2. 客户端需要统一对待单个对象和组合对象：

   • 组合模式可以简化客户端的操作逻辑。

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总结

组合模式通过将对象组合成树形结构，使得客户端能够统一地处理单个对象和组合对象，特别适用于表示部分-整体层次结构的场景。