C++ 设计模式——组合模式

不是仙人的闲人2024-08-26 17:07

C++ 设计模式------组合模式

    • [C++ 设计模式------组合模式](#C++ 设计模式——组合模式)
      • [1. 主要组成成分](#1. 主要组成成分)
      • [2. 逐步构建透明组合模式](#2. 逐步构建透明组合模式)
        • [1. 定义抽象组件（Component）](#1. 定义抽象组件（Component）)
        • [2. 实现叶子组件（Leaf）](#2. 实现叶子组件（Leaf）)
        • [3. 实现组合组件（Composite）](#3. 实现组合组件（Composite）)
        • [4. 主函数（Main）](#4. 主函数（Main）)
        • [透明组合模式 UML 图](#透明组合模式 UML 图)
          • [透明组合模式 UML 图解析](#透明组合模式 UML 图解析)
        • 透明组合模式的优点
        • 透明组合模式的缺点
        • 透明组合模式的适用场景
      • [3. 逐步构建安全组合模式](#3. 逐步构建安全组合模式)
        • [1. 定义抽象组件（Component）](#1. 定义抽象组件（Component）)
        • [2. 实现叶子组件（Leaf）](#2. 实现叶子组件（Leaf）)
        • [3. 实现组合组件（Composite）](#3. 实现组合组件（Composite）)
        • [4. 主函数（Main）](#4. 主函数（Main）)
        • [安全组合模式 UML 图](#安全组合模式 UML 图)
          • [安全组合模式 UML 图解析](#安全组合模式 UML 图解析)
        • 安全组合模式的优点
        • 安全组合模式的缺点
        • 安全组合模式的适用场景
      • 总结
      • 透明组合模式完整代码
      • 安全组合模式完整代码

C++ 设计模式------组合模式

组合模式（Composite Pattern）是一种结构性设计模式，允许将一组对象组织成树形结构以表示"部分-整体"的层次结构。使得用户对单个对象和组合对象的操作/使用/处理具有一致性。组合模式使得客户端可以以统一的方式对待单个对象和组合对象，从而简化了客户端代码的复杂性。

1. 主要组成成分

  1. 抽象组件（Component）：声明了叶子和组合对象的共同接口。
  2. 叶子组件（Leaf）：实现了组件接口，代表树中的叶子节点。
  3. 组合组件（Composite）：实现了组件接口，定义了叶子和子组件的行为，存储子组件。

2. 逐步构建透明组合模式

透明组合模式允许客户端以统一的方式处理单个对象和组合对象。通过在基类中定义 Add 和 Remove 方法，组合对象可以自由添加和删除子对象。这种模式适用于需要处理树形结构的场景，提供了良好的灵活性和可扩展性。下面是如何逐步构建透明组合模式的示例。

1. 定义抽象组件（Component）

首先，定义一个抽象基类 FileSystem，声明所有具体组件的接口。

cpp 复制代码 
//抽象父类FileSystem（抽象接口）
class FileSystem
{
public:
    virtual void ShowName(int level) = 0; //显示名字，参数level用于表示显示的层级，用于显示对齐
    virtual int Add(FileSystem* pfilesys) = 0; //向当前目录中增加文件或子目录
    virtual int Remove(FileSystem* pfilesys) = 0;//从当前目录中移除文件或子目录
    virtual ~FileSystem() {} //做父类时析构函数应该为虚函数
};
2. 实现叶子组件（Leaf）

接下来，创建一个表示文件的类 File，它继承自 FileSystem。

cpp 复制代码 
//文件相关类
class File :public FileSystem
{
public:
    //构造函数
    File(string name) :m_sname(name) {}
    //显示名字
    void ShowName(int level)
    {
        for (int i = 0; i < level; ++i) { cout << "    "; } //显示若干个空格用与对齐
        cout << "-" << m_sname << endl;
    }
    virtual int Add(FileSystem* pfilesys)
    {
        //文件中其实是不可以增加其他文件或者目录的，所以这里直接返回-1，无奈的是父类中定义了该接口，所以子类中也必须实现该接口
        return -1;
    }
    virtual int Remove(FileSystem* pfilesys)
    {
        //文件中不包含其他文件或者目录，所以这里直接返回-1
        return -1;
    }
private:
    string m_sname;  //文件名
};
3. 实现组合组件（Composite）

接着，创建一个表示目录的类 Dir，它也继承自 FileSystem。

cpp 复制代码 
//目录相关类
class Dir :public FileSystem
{
public:
    //构造函数
    Dir(string name) :m_sname(name) {}
    //显示名字
    void ShowName(int level)
    {
        //（1）显示若干个空格用与对齐
        for (int i = 0; i < level; ++i) { cout << "    "; }
        //（2）输出本目录名
        cout << "+" << m_sname << endl;
        //（3）显示的层级向下走一级
        level++;
        //（4）输出所包含的子内容（可能是文件，也可能是子目录）
        //遍历目录中的文件和子目录
        for (auto iter = m_child.begin(); iter != m_child.end(); ++iter)
        {
            (*iter)->ShowName(level);
        }//end for
    }
    virtual int Add(FileSystem* pfilesys)
    {
        m_child.push_back(pfilesys);
        return 0;
    }
    virtual int Remove(FileSystem* pfilesys)
    {
        m_child.remove(pfilesys);
        return 0;
    }
private:
    string m_sname;             //文件名
    list<FileSystem*> m_child;  //目录中包含的文件或其他目录列表
};
4. 主函数（Main）

在 main 函数中，创建文件和目录对象，并构建树形结构。

cpp 复制代码 
int main()
{
    Dir* root = new Dir("root");
    FileSystem* file1 = new File("common.mk");
    FileSystem* file2 = new File("config.mk");
    Dir* appDir = new Dir("app");
    FileSystem* file3 = new File("nginx.c");

    // 构建树形结构
    root->Add(file1);
    root->Add(file2);
    root->Add(appDir);
    appDir->Add(file3);

    // 显示整个目录结构
    root->ShowName(0);

    // 释放资源
    delete file3;
    delete appDir;
    delete file2;
    delete file1;
    delete root;

    return 0;
}

运行上述代码，输出结果如下：

+root
    -common.mk
    -config.mk
    +app
        -nginx.c
透明组合模式 UML 图
透明组合模式 UML 图解析
  • Component (抽象组件) : 为树枝和树叶定义接口（例如，增加、删除、获取子节点等），可以是抽象类，包含所有子类公共行为的声明或默认实现体。这里指 FileSystem 类。
  • Leaf (叶子组件) : 用于表示树叶节点对象，这种对象没有子节点，因此抽象组件中定义的一些接口（例如 Add、Remove）在这里没有实现的意义。这里指 File 类。
  • Composite (树枝组件) : 用于表示一个容器（树枝）节点对象，可以包含子节点，子节点可以是树叶，也可以是树枝，其中提供了一个集合用于存储子节点（以此形成一个树形结构，可以通过递归来访问所有节点）。实现了抽象组件中定义的接口。这里指 Dir 类。
透明组合模式的优点
  • 一致的接口：客户端可以使用相同的方式处理单个对象和组合对象。
  • 简化代码：减少了客户端代码的复杂性，便于管理和扩展。
  • 灵活性：可以轻松地添加新的叶子或组合类。
透明组合模式的缺点
  • 设计复杂性：需要设计一个抽象组件接口，可能导致过多的类。
  • 性能开销：在某些实现中，可能会有额外的性能开销，特别是在树结构较深时。
透明组合模式的适用场景
  • 需要表示"部分-整体"层次结构的场景，例如文件系统、组织结构等。
  • 客户端需要统一处理单个对象和组合对象的场景。

3. 逐步构建安全组合模式

安全组合模式通过类型安全的方式管理树形结构中的对象，确保只有组合对象可以添加子对象。通过实现 ifCompositeObj 方法，能够明确区分叶子和组合对象，从而避免不当操作。此模式适用于需要严格管理树形结构的场景。以下是逐步构建安全组合模式的示例。

1. 定义抽象组件（Component）

首先，定义一个抽象基类 FileSystem，它声明了所有具体组件的接口。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <list>
#include <string>

class Dir; // 前向声明

//抽象父类FileSystem（抽象接口）
class FileSystem
{
public:
    virtual void ShowName(int level) = 0; //显示名字，参数level用于表示显示的层级，用于显示对齐
    virtual ~FileSystem() {}//做父类时析构函数应该为虚函数
    virtual Dir* ifCompositeObj() { return nullptr; }
    virtual int countNumOfFiles() = 0;  //统计目录下包含的文件个数

};
2. 实现叶子组件（Leaf）

接下来，创建一个表示文件的类 File，它继承自 FileSystem。

cpp 复制代码 
//文件相关类
class File :public FileSystem
{
public:
    //构造函数
    File(string name) :m_sname(name) {}

    //显示名字
    void ShowName(int level)
    {
        for (int i = 0; i < level; ++i) { cout << "    "; } //显示若干个空格用与对齐
        cout << "-" << m_sname << endl;
    }
    
    virtual int countNumOfFiles()
    {
        return 1; //文件节点，做数量统计时按1计算
    }

private:
    string m_sname;  //文件名
};
3. 实现组合组件（Composite）

接着，创建一个表示目录的类 Dir，它也继承自 FileSystem。

cpp 复制代码 
// 目录类
class Dir :public FileSystem
{
    //该类内容基本没变，把Add和Remove成员函数前面的virtual修饰符去掉即可。
public:
    //构造函数
    Dir(string name) :m_sname(name) {}
    //显示名字
    void ShowName(int level)
    {
        //（1）显示若干个空格用与对齐
        for (int i = 0; i < level; ++i) { cout << "    "; }
        //（2）输出本目录名
        cout << "+" << m_sname << endl;
        //（3）显示的层级向下走一级
        level++;
        //（4）输出所包含的子内容（可能是文件，也可能是子目录）
        //遍历目录中的文件和子目录
        for (auto iter = m_child.begin(); iter != m_child.end(); ++iter)
        {
            (*iter)->ShowName(level);
        }//end for
    }
    /*virtual*/ int Add(FileSystem* pfilesys)
    {
        m_child.push_back(pfilesys);
        return 0;
    }
    /*virtual*/ int Remove(FileSystem* pfilesys)
    {
        m_child.remove(pfilesys);
        return 0;
    }

    virtual Dir* ifCompositeObj() { return this; }

    virtual int countNumOfFiles()
    {
        int iNumOfFiles = 0;
        for (auto iter = m_child.begin(); iter != m_child.end(); ++iter)
        {
            iNumOfFiles += (*iter)->countNumOfFiles();//递归调用
        }
        return iNumOfFiles;
    }


private:
    string m_sname;             //文件名
    list<FileSystem*> m_child;  //目录中包含的文件或其他目录列表
};
4. 主函数（Main）

在 main 函数中，创建文件和目录对象，并构建树形结构。

cpp 复制代码 
int main() {
    Dir* root = new Dir("root");
    FileSystem* file1 = new File("common.mk");
    FileSystem* file2 = new File("config.mk");
    Dir* appDir = new Dir("app");
    FileSystem* file3 = new File("nginx.c");

    // 构建树形结构
    root->Add(file1);
    root->Add(file2);
    root->Add(appDir);
    appDir->Add(file3);

    // 显示整个目录结构
    root->ShowName(0);
    std::cout << "文件的数量为：" << root->countNumOfFiles() << std::endl;

    // 释放资源
    delete file3;
    delete appDir;
    delete file2;
    delete file1;
    delete root;

    return 0;
}

运行上述代码，输出结果如下：

+root
    -common.mk
    -config.mk
    +app
        -nginx.c
文件的数量为：3
安全组合模式 UML 图
安全组合模式 UML 图解析
  • Component (抽象组件): 定义树枝和树叶的接口，包含公共行为的声明。
  • Leaf (叶子组件) : 表示没有子节点的对象，通常不实现 Add 和 Remove 方法。
  • Composite (树枝组件): 包含子节点，能够递归地调用子节点的方法。
安全组合模式的优点
  • 类型安全：通过类型检查，确保只有组合对象可以添加子对象。
  • 清晰的责任分配：各类的功能分离更加明确，便于维护。
安全组合模式的缺点
  • 复杂性增加：实现安全组合模式可能需要更多的代码和逻辑。
  • 不够灵活：如果需要动态改变对象的行为，可能会受到限制。
安全组合模式的适用场景
  • 需要确保组合对象的类型安全，避免非法操作的场景。
  • 需要明确区分叶子和组合对象的场景。

总结

组合模式是一种强大的设计模式，适用于处理树形结构的场景。通过透明组合模式和安全组合模式，两者各有优缺点，开发者应根据具体需求选择合适的实现方式。组合模式不仅简化了客户端的代码，还提高了代码的可扩展性和可维护性。

透明组合模式完整代码

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;

//抽象父类FileSystem（抽象接口）
class FileSystem
{
public:
    virtual void ShowName(int level) = 0; //显示名字，参数level用于表示显示的层级，用于显示对齐
    virtual int Add(FileSystem* pfilesys) = 0; //向当前目录中增加文件或子目录
    virtual int Remove(FileSystem* pfilesys) = 0;//从当前目录中移除文件或子目录
    virtual ~FileSystem() {} //做父类时析构函数应该为虚函数
};

//文件相关类
class File :public FileSystem
{
public:
    //构造函数
    File(string name) :m_sname(name) {}
    //显示名字
    void ShowName(int level)
    {
        for (int i = 0; i < level; ++i) { cout << "    "; } //显示若干个空格用与对齐
        cout << "-" << m_sname << endl;
    }
    virtual int Add(FileSystem* pfilesys)
    {
        //文件中其实是不可以增加其他文件或者目录的，所以这里直接返回-1，无奈的是父类中定义了该接口，所以子类中也必须实现该接口
        return -1;
    }
    virtual int Remove(FileSystem* pfilesys)
    {
        //文件中不包含其他文件或者目录，所以这里直接返回-1
        return -1;
    }
private:
    string m_sname;  //文件名
};

//目录相关类
class Dir :public FileSystem
{
public:
    //构造函数
    Dir(string name) :m_sname(name) {}
    //显示名字
    void ShowName(int level)
    {
        //（1）显示若干个空格用与对齐
        for (int i = 0; i < level; ++i) { cout << "    "; }
        //（2）输出本目录名
        cout << "+" << m_sname << endl;
        //（3）显示的层级向下走一级
        level++;
        //（4）输出所包含的子内容（可能是文件，也可能是子目录）
        //遍历目录中的文件和子目录
        for (auto iter = m_child.begin(); iter != m_child.end(); ++iter)
        {
            (*iter)->ShowName(level);
        }//end for
    }
    virtual int Add(FileSystem* pfilesys)
    {
        m_child.push_back(pfilesys);
        return 0;
    }
    virtual int Remove(FileSystem* pfilesys)
    {
        m_child.remove(pfilesys);
        return 0;
    }
private:
    string m_sname;             //文件名
    list<FileSystem*> m_child;  //目录中包含的文件或其他目录列表
};

int main()
{
    //（1）创建各种目录，文件对象
    FileSystem* pdir1 = new Dir("root");
    //-------
    FileSystem* pfile1 = new File("common.mk");
    FileSystem* pfile2 = new File("config.mk");
    FileSystem* pfile3 = new File("makefile");
    //-------
    FileSystem* pdir2 = new Dir("app");
    FileSystem* pfile4 = new File("nginx.c");
    FileSystem* pfile5 = new File("ngx_conf.c");
    //-------
    FileSystem* pdir3 = new Dir("signal");
    FileSystem* pfile6 = new File("ngx_signal.c");
    //-------
    FileSystem* pdir4 = new Dir("_include");
    FileSystem* pfile7 = new File("ngx_func.h");
    FileSystem* pfile8 = new File("ngx_signal.h");

    //（2）构造树形目录结构
    pdir1->Add(pfile1);
    pdir1->Add(pfile2);
    pdir1->Add(pfile3);
    //-------
    pdir1->Add(pdir2);
    pdir2->Add(pfile4);
    pdir2->Add(pfile5);
    //-------
    pdir1->Add(pdir3);
    pdir3->Add(pfile6);
    //-------
    pdir1->Add(pdir4);
    pdir4->Add(pfile7);
    pdir4->Add(pfile8);

    //（3）输出整个目录结构，只要调用根目录的ShowName方法即可，每个子目录都有自己的ShowName方法负责自己旗下的文件和目录的显示
    pdir1->ShowName(0);

    //（4）释放资源
    delete pfile8;
    delete pfile7;
    delete pdir4;
    //-------
    delete pfile6;
    delete pdir3;
    //-------
    delete pfile5;
    delete pfile4;
    delete pdir2;
    //-------
    delete pfile3;
    delete pfile2;
    delete pfile1;
    delete pdir1;
    return 0;
}

安全组合模式完整代码

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;

class Dir;
//抽象父类FileSystem（抽象接口）
class FileSystem
{
public:
    virtual void ShowName(int level) = 0; //显示名字，参数level用于表示显示的层级，用于显示对齐
    virtual ~FileSystem() {}//做父类时析构函数应该为虚函数

public:
    virtual Dir* ifCompositeObj() { return nullptr; }

public:
    virtual int countNumOfFiles() = 0;  //统计目录下包含的文件个数

};

//文件相关类
class File :public FileSystem
{
public:
    //构造函数
    File(string name) :m_sname(name) {}

    //显示名字
    void ShowName(int level)
    {
        for (int i = 0; i < level; ++i) { cout << "    "; } //显示若干个空格用与对齐
        cout << "-" << m_sname << endl;
    }

public:
    virtual int countNumOfFiles()
    {
        return 1; //文件节点，做数量统计时按1计算
    }

private:
    string m_sname;  //文件名
};

class Dir :public FileSystem
{
    //该类内容基本没变，把Add和Remove成员函数前面的virtual修饰符去掉即可。
public:
    //构造函数
    Dir(string name) :m_sname(name) {}
    //显示名字
    void ShowName(int level)
    {
        //（1）显示若干个空格用与对齐
        for (int i = 0; i < level; ++i) { cout << "    "; }
        //（2）输出本目录名
        cout << "+" << m_sname << endl;
        //（3）显示的层级向下走一级
        level++;
        //（4）输出所包含的子内容（可能是文件，也可能是子目录）
        //遍历目录中的文件和子目录
        for (auto iter = m_child.begin(); iter != m_child.end(); ++iter)
        {
            (*iter)->ShowName(level);
        }//end for
    }
    /*virtual*/ int Add(FileSystem* pfilesys)
    {
        m_child.push_back(pfilesys);
        return 0;
    }
    /*virtual*/ int Remove(FileSystem* pfilesys)
    {
        m_child.remove(pfilesys);
        return 0;
    }

public:
    virtual Dir* ifCompositeObj() { return this; }

public:
    virtual int countNumOfFiles()
    {
        int iNumOfFiles = 0;
        for (auto iter = m_child.begin(); iter != m_child.end(); ++iter)
        {
            iNumOfFiles += (*iter)->countNumOfFiles();//递归调用
        }
        return iNumOfFiles;
    }


private:
    string m_sname;             //文件名
    list<FileSystem*> m_child;  //目录中包含的文件或其他目录列表
};

int main()
{
    //（1）创建各种目录，文件对象
    Dir* pdir1 = new Dir("root");
    //-------
    FileSystem* pfile1 = new File("common.mk");
    FileSystem* pfile2 = new File("config.mk");
    FileSystem* pfile3 = new File("makefile");
    //-------
    Dir* pdir2 = new Dir("app");
    if (pdir2->ifCompositeObj() != nullptr)
    {
        //是个组合对象，可以向其中增加单个对象和其它组合对象
    }
    if (dynamic_cast<Dir*>(pdir2) != nullptr)
    {
        //是个组合对象，可以向其中增加单个对象和其它组合对象
    }

    FileSystem* pfile4 = new File("nginx.c");
    FileSystem* pfile5 = new File("ngx_conf.c");
    //-------
    Dir* pdir3 = new Dir("signal");
    FileSystem* pfile6 = new File("ngx_signal.c");
    //-------
    Dir* pdir4 = new Dir("_include");
    FileSystem* pfile7 = new File("ngx_func.h");
    FileSystem* pfile8 = new File("ngx_signal.h");

    //（2）构造树形目录结构
    //这部分内容基本没变，
    pdir1->Add(pfile1);
    pdir1->Add(pfile2);
    pdir1->Add(pfile3);
    //-------
    pdir1->Add(pdir2);
    pdir2->Add(pfile4);
    pdir2->Add(pfile5);
    //-------
    pdir1->Add(pdir3);
    pdir3->Add(pfile6);
    //-------
    pdir1->Add(pdir4);
    pdir4->Add(pfile7);
    pdir4->Add(pfile8);

    //（3）输出整个目录结构，只要调用根目录的ShowName方法即可，每个子目录都有自己的ShowName方法负责自己旗下的文件和目录的显示
    pdir1->ShowName(0);

    cout << "文件的数量为：" << pdir1->countNumOfFiles() << endl;

    //（4）释放资源
    //这部分内容基本没变，
    delete pfile8;
    delete pfile7;
    delete pdir4;
    //-------
    delete pfile6;
    delete pdir3;
    //-------
    delete pfile5;
    delete pfile4;
    delete pdir2;
    //-------
    delete pfile3;
    delete pfile2;
    delete pfile1;
    delete pdir1;

    return 0;
}
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