C#設計模式(10)——組合模式（Composite Pattern）
阿新 • • 發佈：2018-10-05
詳細 ext bstr write move complex 存在 span remove
一、引言
在軟件開發過程中，我們經常會遇到處理簡單對象和復合對象的情況，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，由於簡單對象和復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復合對象，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復合對象。然而組合模式就是解決這樣的問題。下面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。下面我們用繪制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），也可以由一些復雜圖形組成（由基本圖形元素組合而成），為了使客戶對基本圖形和復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——簡單對象和復合對象必須實現相同的接口。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復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("一個復雜圖形和兩條線段組成的復雜圖形"); complexGraphics.Add(new Line("線段A")); ComplexGraphics CompositeCG = new ComplexGraphics("一個圓和一條線組成的復雜圖形"); 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); // 顯示復雜圖形的畫法Console.WriteLine("復雜圖形的繪制如下："); Console.WriteLine("---------------------"); complexGraphics.Draw(); Console.WriteLine("復雜圖形繪制完成"); Console.WriteLine("---------------------"); Console.WriteLine(); // 移除一個組件再顯示復雜圖形的畫法 complexGraphics.Remove(l); Console.WriteLine("移除線段C後，復雜圖形的繪制如下："); Console.WriteLine("---------------------"); complexGraphics.Draw(); Console.WriteLine("復雜圖形繪制完成"); 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> /// 復雜圖形，由一些簡單圖形組成,這裏假設該復雜圖形由一個圓兩條線組成的復雜圖形 /// </summary> public class ComplexGraphics : Graphics { private List<Graphics> complexGraphicsList = new List<Graphics>(); public ComplexGraphics(string name) : base(name) { } /// <summary> /// 復雜圖形的畫法 /// </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接口，我們把管理子對象的方法聲明放在復合圖形對象裏面，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，下面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接口。 /// 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("一個復雜圖形和兩條線段組成的復雜圖形"); complexGraphics.Add(new Line("線段A")); ComplexGraphics CompositeCG = new ComplexGraphics("一個圓和一條線組成的復雜圖形"); 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); // 顯示復雜圖形的畫法 Console.WriteLine("復雜圖形的繪制如下："); Console.WriteLine("---------------------"); complexGraphics.Draw(); Console.WriteLine("復雜圖形繪制完成"); Console.WriteLine("---------------------"); Console.WriteLine(); // 移除一個組件再顯示復雜圖形的畫法 complexGraphics.Remove(l); Console.WriteLine("移除線段C後，復雜圖形的繪制如下："); Console.WriteLine("---------------------"); complexGraphics.Draw(); Console.WriteLine("復雜圖形繪制完成"); 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 // 因為這些方法只在復雜圖形中才有意義 } /// <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> /// 復雜圖形，由一些簡單圖形組成,這裏假設該復雜圖形由一個圓兩條線組成的復雜圖形 /// </summary> public class ComplexGraphics : Graphics { private List<Graphics> complexGraphicsList = new List<Graphics>(); public ComplexGraphics(string name) : base(name) { } /// <summary> /// 復雜圖形的畫法 /// </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系。
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接口及默認行為，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裏，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：
- 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，無需關系處理的單個對象，還是組合的對象容器。
- 將”客戶代碼與復雜的對象容器結構“解耦。
- 可以更容易地往組合對象中加入新的構件。
缺點：使得設計更加復雜。客戶端需要花更多時間理清類之間的層次關系。（這個是幾乎所有設計模式所面臨的問題）。
註意的問題：
- 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裏面作為緩存。
- 客戶端盡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Graphics complexGraphics = new ComplexGraphics("一個復雜圖形和兩條線段組成的復雜圖形");），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：
- 需要表示一個對象整體或部分的層次結構。
- 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件，然而System.Windows.Forms.dll中System.Windows.Forms.Control類就應用了組合模式，因為控件包括Label、TextBox等這樣的簡單控件，同時也包括GroupBox、DataGrid這樣復合的控件，每個控件都需要調用OnPaint方法來進行控件顯示，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
到這裏組合模式的介紹就結束了，組合模式解耦了客戶程序與復雜元素內部結構，從而使客戶程序可以向處理簡單元素一樣來處理復雜元素。
本文中所有源碼：設計模式之組合模式
C#設計模式(10)——組合模式（Composite Pattern）