设计模式系列（十四）组合模式(Composite Pattern)

来源：互联网发布：2017年网络热点编辑：程序博客网时间：2024/05/21 12:40

设计模式系列（十四）组合模式(Composite Pattern)

组合模式就是允许将对象组成树形结构来表现“整体/部分”的层次结构。组合能让客户以一致的方式处理个别对象和对象组合。简单来说，可以把组合模式看成树形结构的一种表示，例如平常经常见到的多级菜单，每一级菜单下面都可能还存在子菜单，以此类推，直到最后没有子菜单的选项，最后的选项就是该菜单的叶节点，从而构成一个复杂的菜单系统，也可以看作是一个树形结构的具体化。

组合结构内的任意对象都统称为组件，组件可以是组合或者叶节点，那么组合模式中的主要角色是：

（1）抽象构件角色(Component)：我们可以称之为“组件”，它可以是接口或抽象类，为叶子构件和容器构件对象声明接口，在该角色中可以包含所有子类共有行为的声明和实现。在抽象构件中定义了访问及管理它的子构件的方法，如增加子构件、删除子构件、获取子构件等。

（2）叶子构件角色(Leaf)：我们可以称之为“叶节点”，它在组合结构中表示叶子节点对象，叶子节点没有子节点，它实现了在抽象构件中定义的行为。对于那些访问及管理子构件的方法，可以通过异常等方式进行处理。

（3）容器构件角色(Composite)：我们可以称之为“组合”，它在组合结构中表示容器节点对象，容器节点包含子节点，其子节点可以是叶子节点，也可以是容器节点，它提供一个集合用于存储子节点，实现了在抽象构件中定义的行为，包括那些访问及管理子构件的方法，在其业务方法中可以递归调用其子节点的业务方法。

组合模式的关键是定义了一个抽象构件类，它既可以代表叶子，又可以代表容器，而客户端针对该抽象构件类进行编程，无须知道它到底表示的是叶子还是容器，可以对其进行统一处理。同时容器对象与抽象构件类之间还建立一个聚合关联关系，在容器对象中既可以包含叶子，也可以包含容器，以此实现递归组合，形成一个树形结构。如果不使用组合模式，客户端代码将过多地依赖于容器对象复杂的内部实现结构，容器对象内部实现结构的变化将引起客户代码的频繁变化，带来了代码维护复杂、可扩展性差等弊端。组合模式的引入将在一定程度上解决这些问题。

上面的角色关系在C++中简单来说就是：

（1）Component是一个基类，它可以是抽象类，也可以是实现了默认方法实现的具体类，但是构造函数用protected属性即可，保证该类不能被外部直接创建对象，这个类中声明或者定义了所有可能用到的函数，由继承它的子类来决定具体有意义的实现，这里也埋下了一个问题，即如果子类不需要其中的一些函数该怎么办，后面我们会说到。

（2）Leaf类继承了Component类，然后实现了其中的一部分函数，这个类是叶节点，所以不会再包含其他的容器组合。

（3）Composite类也继承了Component类，然后实现了其中的大部分函数，其中一般都会包含子菜单的一个组合。

从上面的介绍可以看出，两个子类都继承自一个基类，这个基类就是组件，然后分别衍生出了叶节点和组合，但是对于用户来说，用户不需要区分到底是叶节点还是组合，用户只需要使用透明的基类即可，其他实现由子类决定。这里就涉及到刚才说的问题，即一些不需要的函数怎么办？一般分为两种：

（1）透明组合：所谓透明，就是对于用户来说是完全透明的，用户不需要关心和区分具体的使用，只需要统一使用基类中的方法即可，此时有可能有一些函数子类根本用不到，此时可以采用异常处理的方法，即在基类中把所有函数都实现为抛出异常，子类只实现自己需要的函数，然后使用时对异常进行处理即可。透明组合强调的是透明性、统一性和一致性。

（2）安全组合：所谓安全，就是不存在上述的异常处理情况，基类中只声明了叶节点和容器组合共同的函数，它们不同的函数由子类自己写出，这样就避免了出现使用不到的函数的情况，但是虽然安全了，不过对于用户却不再透明，因为用户需要关心具体的使用方法，需要区分叶节点和容器组合，它们有不同的方法，所以会相对麻烦一些。

至于到底使用哪种组合方式，根据项目的具体需求进行选择。

组合模式的主要优点是：

（1）组合模式可以清楚地定义分层次的复杂对象，表示对象的全部或部分层次，它让客户端忽略了层次的差异，方便对整个层次结构进行控制。

（2）客户端可以一致地使用一个组合结构或其中单个对象，不必关心处理的是单个对象还是整个组合结构，简化了客户端代码。

（3）在组合模式中增加新的容器构件和叶子构件都很方便，无须对现有类库进行任何修改，符合“开闭原则”。

（4）组合模式为树形结构的面向对象实现提供了一种灵活的解决方案，通过叶子对象和容器对象的递归组合，可以形成复杂的树形结构，但对树形结构的控制却非常简单。

组合模式的主要缺点是：

在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。有时候我们希望一个容器中只能有某些特定类型的对象，例如在某个文件夹中只能包含文本文件，使用组合模式时，不能依赖类型系统来施加这些约束，因为它们都来自于相同的抽象层，在这种情况下，必须通过在运行时进行类型检查来实现，这个实现过程较为复杂。

在以下情况下可以考虑使用组合模式：

（1）在具有整体和部分的层次结构中，希望通过一种方式忽略整体与部分的差异，客户端可以一致地对待它们。

（2）在一个使用面向对象语言开发的系统中需要处理一个树形结构。

（3）在一个系统中能够分离出叶子对象和容器对象，而且它们的类型不固定，需要增加一些新的类型。

下面我们来看一个例子，该例由三个文件组成，依次是：CompositePattern.h、CompositePattern.cpp、CompositePatternTest.cpp。

// 组合模式// CompositePattern.h文件#ifndef COMPOSITE#define COMPOSITE#include <iostream>#include <iomanip>#include <string>#include <vector>#include <exception>using namespace std;// 组合模式中的抽象构件角色class MenuComponent {public:    virtual ~MenuComponent(){}    virtual void add(MenuComponent* menuComponent);    virtual void remove(MenuComponent* menuComponent);    virtual MenuComponent* getChild(int i);    virtual string getName();    virtual string getDescription();    virtual double getPrice();    virtual bool isVegetarian();    virtual void print();protected:    MenuComponent(){}};// 组合模式中的叶子构件class MenuItem : public MenuComponent{public:    MenuItem(string name, string description, bool vegetarian, double price)    {        this->name = name;        this->description = description;        this->vegetarian = vegetarian;        this->price = price;    }    string getName();    string getDescription();    double getPrice();    bool isVegetarian();    void print();private:    string name;    string description;    bool   vegetarian;    double price;};// 组合模式中的容器构件class Menu : public MenuComponent{public:    Menu(string name, string description)    {        this->name = name;        this->description = description;    }    void add(MenuComponent* menuComponent);    void remove(MenuComponent* menuComponent);    MenuComponent* getChild(int i);    string getName();    string getDescription();    void print();private:    vector<MenuComponent*> vecMenu;    string name;    string description;};// 组合模式中的客户class Waitress{public:    Waitress(MenuComponent* allMenus)    {        this->allMenus = allMenus;    }    void printMenu();private:    MenuComponent* allMenus;};#endif

// CompositePattern.cpp文件#include "CompositePattern.h"// 组合模式中的抽象构件角色void MenuComponent::add(MenuComponent* menuComponent){    runtime_error r("UnsupportedOperationException");    throw r;}void MenuComponent::remove(MenuComponent* menuComponent){    runtime_error r("UnsupportedOperationException");    throw r;}MenuComponent* MenuComponent::getChild(int i){    runtime_error r("UnsupportedOperationException");    throw r;}string MenuComponent::getName(){    runtime_error r("UnsupportedOperationException");    throw r;}string MenuComponent::getDescription(){    runtime_error r("UnsupportedOperationException");    throw r;}double MenuComponent::getPrice(){    runtime_error r("UnsupportedOperationException");    throw r;}bool MenuComponent::isVegetarian(){    runtime_error r("UnsupportedOperationException");    throw r;}void MenuComponent::print(){    runtime_error r("UnsupportedOperationException");    throw r;}// 组合模式中的叶子构件string MenuItem::getName(){    return name;}string MenuItem::getDescription(){    return description;}double MenuItem::getPrice(){    return price;}bool MenuItem::isVegetarian(){    return vegetarian;}void MenuItem::print(){    cout << "  " << getName();    if (isVegetarian())     {        cout << "(v)";    }    cout << ", " << getPrice() << endl;    cout << "     -- " + getDescription() << endl;}// 组合模式中的容器构件void Menu::add(MenuComponent* menuComponent){    vecMenu.push_back(menuComponent);}void Menu::remove(MenuComponent* menuComponent){    for (vector<MenuComponent*>::iterator itr = vecMenu.begin(); itr != vecMenu.end();)    {        if ((*itr)->getName() == menuComponent->getName()             && (*itr)->getDescription() == menuComponent->getDescription())        {            itr = vecMenu.erase(itr);            break;        }        else        {            ++itr;        }    }}MenuComponent* Menu::getChild(int i){    return vecMenu[i];}string Menu::getName(){    return name;}string Menu::getDescription(){    return description;}void Menu::print(){    cout << "\n" << getName();    cout << ", " + getDescription() << endl;    cout << "---------------------" << endl;    for (vector<MenuComponent*>::iterator itr = vecMenu.begin(); itr != vecMenu.end(); ++itr)    {        (*itr)->print();    }}// 组合模式中的客户void Waitress::printMenu(){    allMenus->print();}

// CompositePatternTest.cpp文件#include "CompositePattern.h"void main(){    // 树根    MenuComponent* allMenus = new Menu("ALL MENUS", "All menus combined");    // 树根下的一级菜单三个    MenuComponent* pancakeHouseMenu = new Menu("PANCAKE HOUSE MENU", "Breakfast");    MenuComponent* dinerMenu = new Menu("DINER MENU", "Lunch");    MenuComponent* cafeMenu  = new Menu("CAFE MENU", "Dinner");    // 二级菜单两个    MenuComponent* dessertMenu = new Menu("DESSERT MENU", "Dessert of course!");    MenuComponent* coffeeMenu  = new Menu("COFFEE MENU", "Stuff to go with your afternoon coffee");    // 添加一级菜单及其叶节点        allMenus->add(pancakeHouseMenu);    allMenus->add(dinerMenu);    allMenus->add(cafeMenu);    MenuItem mu1(        "K&B's Pancake Breakfast",        "Pancakes with scrambled eggs, and toast",        true,        2.99);    pancakeHouseMenu->add(&mu1);    MenuItem mu2(        "Regular Pancake Breakfast",        "Pancakes with fried eggs, sausage",        false,        2.99);    pancakeHouseMenu->add(&mu2);    MenuItem mu3(        "Blueberry Pancakes",        "Pancakes made with fresh blueberries, and blueberry syrup",        true,        3.49);    pancakeHouseMenu->add(&mu3);    MenuItem mu4(        "Waffles",        "Waffles, with your choice of blueberries or strawberries",        true,        3.59);    pancakeHouseMenu->add(&mu4);    MenuItem mu5(        "Vegetarian BLT",        "(Fakin') Bacon with lettuce & tomato on whole wheat",        true,        2.99);    dinerMenu->add(&mu5);    MenuItem mu6(        "BLT",        "Bacon with lettuce & tomato on whole wheat",        false,        2.99);    dinerMenu->add(&mu6);    MenuItem mu7(        "Soup of the day",        "A bowl of the soup of the day, with a side of potato salad",        false,        3.29);    dinerMenu->add(&mu7);    MenuItem mu8(        "Hotdog",        "A hot dog, with saurkraut, relish, onions, topped with cheese",        false,        3.05);    dinerMenu->add(&mu8);    MenuItem mu9(        "Steamed Veggies and Brown Rice",        "Steamed vegetables over brown rice",        true,        3.99);    dinerMenu->add(&mu9);    MenuItem mu10(        "Pasta",        "Spaghetti with Marinara Sauce, and a slice of sourdough bread",        true,        3.89);    dinerMenu->add(&mu10);    dinerMenu->add(dessertMenu);    MenuItem mu11(        "Apple Pie",        "Apple pie with a flakey crust, topped with vanilla icecream",        true,        1.59);    dessertMenu->add(&mu11);    MenuItem mu12(        "Cheesecake",        "Creamy New York cheesecake, with a chocolate graham crust",        true,        1.99);    dessertMenu->add(&mu12);    MenuItem mu13(        "Sorbet",        "A scoop of raspberry and a scoop of lime",        true,        1.89);    dessertMenu->add(&mu13);    MenuItem mu14(        "Veggie Burger and Air Fries",        "Veggie burger on a whole wheat bun, lettuce, tomato, and fries",        true,        3.99);    cafeMenu->add(&mu14);    MenuItem mu15(        "Soup of the day",        "A cup of the soup of the day, with a side salad",        false,        3.69);    cafeMenu->add(&mu15);    MenuItem mu16(        "Burrito",        "A large burrito, with whole pinto beans, salsa, guacamole",        true,        4.29);    cafeMenu->add(&mu16);    cafeMenu->add(coffeeMenu);    MenuItem mu17(        "Coffee Cake",        "Crumbly cake topped with cinnamon and walnuts",        true,        1.59);    coffeeMenu->add(&mu17);    MenuItem mu18(        "Bagel",        "Flavors include sesame, poppyseed, cinnamon raisin, pumpkin",        false,        0.69);    coffeeMenu->add(&mu18);    MenuItem mu19(        "Biscotti",        "Three almond or hazelnut biscotti cookies",        true,        0.89);    coffeeMenu->add(&mu19);    // 创建客户对象，并打印菜单    Waitress waitress(allMenus);    waitress.printMenu();    delete(pancakeHouseMenu);    delete(dinerMenu);    delete(cafeMenu);    delete(dessertMenu);    delete(coffeeMenu);    delete(allMenus);    pancakeHouseMenu = NULL;    dinerMenu = NULL;    cafeMenu = NULL;    dessertMenu = NULL;    coffeeMenu = NULL;    allMenus = NULL;}

该例的运行结果如图1和图2所示，由于运行结果较长，所以只能采用分开截图表示，UML类图如图3所示。