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设计模式-结构型-组合模式

article 2025/1/15 8:15:50

1. 什么是组合模式？

组合模式（Composite Pattern） 是一种结构型设计模式，它允许将对象组合成树形结构来表示“部分-整体”的层次结构。组合模式使得客户端对单个对象和组合对象的使用具有一致性。换句话说，组合模式允许你将多个对象组合成一个复合对象，然后统一处理这些对象。

核心思想

组合模式通过将简单对象（叶子节点）和复合对象（包含子对象的树形结构）统一视为相同的类型，从而简化客户端对不同类型对象的处理。它常用于表示树形结构，如目录结构、组织架构等。

2. 组合模式的结构

UML 类图

以下是组合模式的 UML 类图：

角色

Component（抽象组件）
定义了所有对象（无论是叶子节点还是组合节点）共用的方法，如 operation()。可以是抽象类或接口。
Leaf（叶子节点）
叶子节点是组合树结构的最底层元素，不能再包含子对象。它实现了 operation() 方法，通常用于具体的操作。
Composite（组合节点）
组合节点包含叶子节点或其他组合节点。它也实现了 operation() 方法，并允许对子节点进行操作（如 add()、remove() 等）。通常用来组织和管理子组件。

3. 组合模式的示例

场景描述

假设我们需要构建一个文件系统的树形结构，其中包含文件夹（可以包含文件和子文件夹）和文件。文件和文件夹都有一个 display() 方法。组合模式可以帮助我们统一处理文件和文件夹。

代码实现

from abc import ABC, abstractmethod

# 抽象组件类
class FileSystemComponent(ABC):
    @abstractmethod
    def display(self):
        pass

# 叶子节点：文件类
class File(FileSystemComponent):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def display(self):
        print(f"File: {self.name}")

# 组合节点：文件夹类
class Folder(FileSystemComponent):
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.children = []

    def add(self, component: FileSystemComponent):
        self.children.append(component)

    def remove(self, component: FileSystemComponent):
        self.children.remove(component)

    def display(self):
        print(f"Folder: {self.name}")
        for child in self.children:
            child.display()

# 测试组合模式
if __name__ == "__main__":
    # 创建文件和文件夹
    file1 = File("file1.txt")
    file2 = File("file2.txt")
    file3 = File("file3.txt")

    folder1 = Folder("Folder1")
    folder2 = Folder("Folder2")

    folder1.add(file1)
    folder1.add(file2)

    folder2.add(file3)

    # 创建根文件夹，添加子文件夹
    root = Folder("Root")
    root.add(folder1)
    root.add(folder2)

    # 显示整个文件系统结构
    root.display()

输出

Folder: Root

Folder: Folder1

File: file1.txt

File: file2.txt

Folder: Folder2

File: file3.txt

在上面的代码中，FileSystemComponent 是抽象组件类，File 是叶子节点，Folder 是组合节点。Folder 具有 add() 和 remove() 方法来管理其子节点，而 File 只有 display() 方法。最后，通过调用根文件夹的 display() 方法，能够递归地显示整个文件系统的结构。

4. 组合模式的优缺点

优点

简化客户端代码
客户端不需要关心对象是单个对象还是组合对象，它们可以通过相同的接口进行处理，简化了代码结构。
递归结构清晰
组合模式特别适合处理递归结构的数据，比如文件系统、组织结构等。
增加或删除元素方便
通过组合模式，添加或删除树形结构中的节点（文件或文件夹）非常方便，不影响其它节点的操作。
高扩展性
可以轻松扩展新的叶子节点或组合节点，而不需要修改现有的客户端代码。

缺点

复杂性增加
如果对象结构本身并不复杂，引入组合模式可能会让系统变得过于复杂，导致不必要的开销。
不易实现对叶子节点的具体行为
在某些情况下，叶子节点的行为可能与组合节点有所不同，这可能会导致设计上的矛盾，难以通过统一接口来处理。

5. 组合模式的应用场景

文件系统
文件夹可以包含子文件夹和文件，文件和文件夹是不同的对象类型，但是它们都实现了一个公共接口 display()，可以统一处理。
GUI 组件库
许多图形用户界面组件（如按钮、窗体、标签等）可以通过组合模式来处理。组件（如按钮）可以是叶子节点，而容器（如面板、窗体）可以是组合节点。
组织架构
企业的组织架构可以通过组合模式表示。一个部门可以包含多个员工或者子部门，所有部门和员工都可以通过统一的接口进行管理。
树形结构的表示
任何需要树形结构表示的场景，例如目录树、家族谱、层次化数据展示等，都适合使用组合模式。