一、引言

在軟體開發過程中，我們經常會遇到處理簡單物件和複合物件的情況，例如對作業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檔案，也可以包括資料夾，資料夾又是由檔案組成的，由於簡單物件和複合物件在功能上區別，導致在操作過程中必須區分簡單物件和複合物件，這樣就會導致客戶呼叫帶來不必要的麻煩，然而作為客戶，它們希望能夠始終一致地對待簡單物件和複合物件。然而組合模式就是解決這樣的問題。

二、組合模式的詳細介紹

2.1 組合模式的定義

組合模式允許你將物件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物件以及物件的組合。下面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呼叫保持一致，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——簡單物件和複合物件必須實現相同的介面。這就是組合模式能夠將組合物件和簡單物件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，具體程式碼如下：

// 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
    // 客戶端呼叫
    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();
            // 移除一個元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);
        }
        // 因為簡單圖形在新增或移除其他圖形，所以簡單圖形Add或Remove方法沒有任何意義
        // 如果客戶端呼叫了簡單圖形的Add或Remove方法將會在執行時丟擲異常
        // 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新增其他圖形");
        }
        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新增其他圖形");
        }
        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);
        }
    }
 

/// 安全式的組合模式
    /// 此方式實現的組合模式把管理子物件的方法宣告在樹枝構件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();
            // 移除一個元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
        // 把管理子物件的方法放到了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，它給參加組合的物件定義出了公共的介面及預設行為，可以用來管理所有的子物件（在透明式的組合模式是這樣的）。在安全式的組合模式裡，構件角色並不定義出管理子物件的方法，這一定義由樹枝結構物件給出。

• 樹葉構件（Leaf）角色：樹葉物件時沒有下級子物件的物件，上面實現中Line和Circle充當這個角色，定義出參加組合的原始物件的行為

• 樹枝構件（Composite）角色：代表參加組合的有下級子物件的物件，上面實現中ComplexGraphics充當這個角色，樹枝物件給出所有管理子物件的方法實現，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程式碼可以一致地處理物件和物件容器，無需關係處理的單個物件，還是組合的物件容器。

2. 將”客戶程式碼與複雜的物件容器結構“解耦。

3. 可以更容易地往組合物件中加入新的構件。

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）。

注意的問題：

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儲存在父構件裡面作為快取。

2. 客戶端儘量不要直接呼叫樹葉類中的方法（在我上面實現就是這樣的，建立的是一個樹枝的具體物件，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）的多型性完成呼叫，這樣可以增加程式碼的複用性。

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. 需要表示一個物件整體或部分的層次結構。

2. 希望使用者忽略組合物件與單個物件的不同，使用者將統一地使用組合結構中的所有物件。

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元件，然而System.Windows.Forms.dll中System.Windows.Forms.Control類就應用了組合模式，因為控制元件包括Label、TextBox等這樣的簡單控制元件，同時也包括GroupBox、DataGrid這樣複合的控制元件，每個控制元件都需要呼叫OnPaint方法來進行控制元件顯示，為了表示這種物件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。