C++设计模式——Composite组合模式

一，组合模式简介

真实世界中，像企业组织、文档、图形软件界面等案例，它们在结构上都是分层次的。将系统分层次的方式使得统一管理和添加不同子模块变得容易，在软件开发中，组合模式的设计思想和它们类似。

组合模式是一种**结构型设计模式，**该模式将对象组合成树状结构，以便于分层和统一管理。

组合模式用于为复杂的分层的系统结构定义基本的蓝图，并对外提供统一的接口，简化了系统组件的使用方法。

二，组合模式的结构

**1.组件类(Component)：**声明了统一的抽象接口。它定义了Leaf类和Composite类的通用函数接口。

**2.叶子节点类(Leaf)：**提供了Component类的接口实现，组合模式中的最小单元。

**3.组合类(Composite)：**也提供了Component类的接口实现，其中包含多个Component对象。它对子组件进行了封装，使用客户端(Client)可以像操作单个组件一样使用整个组合。

对应UML类图：

三，组合模式代码样例

Demo1：先操作叶子节点，后操作主节点

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>

class Component {
public:
    virtual void operation() const = 0;
    virtual ~Component() {}
};

class Leaf : public Component {
public:
    Leaf(const std::string& name) : name_(name) {}
    virtual void operation() const override {
        std::cout << "Operation on leaf: " << name_ << std::endl;
    }
private:
    std::string name_;
};

class Composite : public Component {
public:
    Composite(const std::string& name) : name_(name), children_{} {}
    void add(Component* component) {
        children_.push_back(component);
    }
    void operation() const override {
        for (const auto& child : children_) {
            child->operation();
        }
        std::cout << "Operation on composite: " << name_ << std::endl;
    }
private:
    std::vector<Component*> children_;
    std::string name_;
};

int main() {
    Composite root("Composite Root");
    Leaf leaf1("Leaf 1");
    Leaf leaf2("Leaf 2");
    Leaf leaf3("Leaf 3");

    root.add(&leaf1);
    root.add(&leaf2);
    root.add(&leaf3);

    root.operation();
    return 0;
}

运行结果：

cpp 复制代码

Operation on leaf: Leaf 1
Operation on leaf: Leaf 2
Operation on leaf: Leaf 3
Operation on composite: Composite Root

Demo2：先操作主节点，后操作叶子节点

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>

class Component {
public:
    virtual ~Component() {}
    virtual void operation() const = 0;
};

class Leaf : public Component {
public:
    Leaf(const std::string& name) : name(name) {}
    virtual void operation() const override {
        std::cout << "Operation on leaf: " << name << '\n';
    }
private:
    std::string name;
};

class Composite : public Component {
public:
    Composite(const std::string& name) : Component(), children(), _name(name) {}
    void add(Component* component) {
        children.push_back(component);
    }
    void remove(Component* component) {
        children.erase(std::remove(children.begin(),
            children.end(),
            component),
            children.end());
    }
    void operation() const override {
        std::cout << "Operation on composite: " << _name << '\n';
        for (auto& child : children)
            child->operation();
    }

private:
    std::vector<Component*> children;
    std::string _name;
};

int main() {
    Composite root("Composite1");
    root.add(new Leaf("Leaf1"));
    root.add(new Leaf("Leaf2"));
    root.add(new Composite("Composite2"));
    root.add(new Leaf("Leaf3"));
    root.operation();

    return 0;
}

运行结果：

cpp 复制代码

Operation on composite: Composite1
Operation on leaf: Leaf1
Operation on leaf: Leaf2
Operation on composite: Composite2
Operation on leaf: Leaf3

四，组合模式的应用场景

平面设计软件开发：在Photoshop等应用程序中，形状、线条和文本等图形元素可以组合成复杂的设计。

文件系统：使用组合模式来表示文件和目录，从而形成可以统一处理和查询的分层结构。

UI框架开发：基于组合模式，可以让UI组件(如按钮、标签和面板等)组合成复杂的布局或界面。

文档编辑器：使用组合模式来实现文档的段落和文本等层次结构。

企业软件开发：企业软件通常对组织结构进行建模，包括部门、团队和员工。组合模式用于实现组织单位及其内部员工的层次结构。

五，组合模式的优缺点

组合模式的优点：

1.便于维护和重构，修改单个组件的代码不会影响整个系统的功能。

2.有树形结构的先天优势，可以很方便地统一添加、删除或修改子节点。

3.通过拆分子组件，提高了模块间的独立性和可重用性。

4.符合"单一职责原则"，组合中的每个对象只关注自己的职责，不需要考虑整个组合中的功能配合。

组合模式的缺点：

1.性能开销大，该模式涉及了对象的动态创建和管理，频繁操作可能会引起性能问题。

2.增加了代码的复杂度，当组合的层次过深的时候，代码的结构会很复杂。

3.类型安全问题，当管理多个组件对象时，可能需要额外的类型转换编码。

六，代码实战

代码实战：基于组合模式实现的文件系统

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <bits/stdc++.h>

class FileSystemComponent {
public:
    virtual void display() const = 0;
};

class File : public FileSystemComponent {
public:
    File(const std::string& name, int size)
        : name(name), size(size)
    {
    }
    void display() const override
    {
        std::cout << "File: " << name <<
            " (" << size << " bytes)" <<
             std::endl;
    }
private:
    std::string name;
    int size;
};

class Directory : public FileSystemComponent {
public:
    Directory(const std::string& name)
        : name(name)
    {
    }
    void display() const override
    {
        std::cout << "Directory: " << name << std::endl;
        for (const auto& component : components) {
            component->display();
        }
    }
    void addComponent(FileSystemComponent* component)
    {
        components.push_back(component);
    }
private:
    std::string name;
    std::vector<FileSystemComponent*> components;
};

int main()
{
    FileSystemComponent* file1
        = new File("document.txt", 1024);
    FileSystemComponent* file2
        = new File("image.jpg", 2048);

    Directory* directory = new Directory("My Documents");

    directory->addComponent(file1);
    directory->addComponent(file2);

    directory->display();
    return 0;
}

运行结果：

cpp 复制代码

Directory: My Documents
File: document.txt (1024 bytes)
File: image.jpg (2048 bytes)

七，参考阅读

https://refactoring.guru/design-patterns/composite
https://www.geeksforgeeks.org/composite-method-software-design-pattern/
https://www.geeksforgeeks.org/composite-design-pattern-in-java/