23种设计模式 - 组合模式

模式定义

组合模式（Composite Pattern）是一种结构型设计模式，通过将对象组织成树形结构，使客户端能够以统一的方式处理单个对象和组合对象。该模式特别适用于需要表示"部分-整体"层次结构的场景，例如数控系统中的多级组件管理。

模式结构

Component（抽象构件）

定义所有对象的公共接口（如Operation()），声明管理子组件的方法（如Add()、Remove()）。
Leaf（叶子节点）
表示树中的叶子对象，无子节点，实现Component接口的具体操作。
Composite（组合节点）
存储子组件集合，实现Component接口，并管理子组件的增删及递归操作。

适用场景

数控系统组件管理：如机床系统包含主轴、导轨、工作台等子组件，工作台又包含多个轴。

统一操作接口：客户端无需区分单个部件（如电机）与组合部件（如多轴联动系统）。

动态树形结构：支持运行时动态添加或移除组件（如更换刀具库）。

C++示例（数控系统场景）

场景说明：

设计一个数控机床系统，包含主轴、导轨等叶子节点，以及可嵌套的工作台组合节点，支持统一启停操作。

cpp 复制代码

#include 
#include 
#include 

// 抽象构件：设备组件
class DeviceComponent {
public:
    virtual ~DeviceComponent() = default;
    virtual void start() = 0;
    virtual void stop() = 0;
    virtual void add(std::shared_ptr component) {} // 透明式设计
    virtual void remove(std::shared_ptr component) {}
};

// 叶子节点：主轴
class Spindle : public DeviceComponent {
public:
    void start() override { std::cout << "主轴启动，转速2000rpm\n"; }
    void stop() override { std::cout << "主轴停止\n"; }
};

// 叶子节点：直线导轨
class LinearRail : public DeviceComponent {
public:
    void start() override { std::cout << "导轨初始化，开始运动\n"; }
    void stop() override { std::cout << "导轨停止运动\n"; }
};

// 组合节点：数控机床系统
class CNCMachine : public DeviceComponent {
private:
    std::vector> components;
public:
    void start() override {
        std::cout << "=== 启动数控机床 ===\n";
        for (auto& comp : components) comp->start();
    }
    void stop() override {
        std::cout << "=== 停止数控机床 ===\n";
        for (auto& comp : components) comp->stop();
    }
    void add(std::shared_ptr comp) override {
        components.push_back(comp);
    }
    void remove(std::shared_ptr comp) override {
        components.erase(std::remove(components.begin(), components.end(), comp), components.end());
    }
};

// 客户端使用
int main() {
    auto spindle = std::make_shared();
    auto rail = std::make_shared();
    auto workTable = std::make_shared();
    workTable->add(std::make_shared());
    workTable->add(std::make_shared());

    auto machine = std::make_shared();
    machine->add(spindle);
    machine->add(rail);
    machine->add(workTable);

    machine->start();
    machine->stop();
    return 0;
}

代码解析

Component（DeviceComponent）

定义start()和stop()接口，支持透明式组合模式（子类可空实现add/remove）。
Leaf（Spindle/LinearRail）
实现具体操作，无子组件管理逻辑。
Composite（CNCMachine）
存储子组件集合，递归调用子组件的操作，支持动态扩展（如嵌套workTable）。

输出示例：

复制代码

=== 启动数控机床 ===
主轴启动，转速2000rpm
导轨初始化，开始运动
=== 启动数控机床 ===
导轨初始化，开始运动
导轨初始化，开始运动
=== 停止数控机床 ===
导轨停止运动
导轨停止运动
=== 停止数控机床 ===
主轴停止
导轨停止运动

优势与扩展

统一接口：客户端无需区分叶子和组合节点，简化调用逻辑。

灵活扩展：新增组件类型（如刀具库）无需修改现有代码。

动态结构：运行时自由组装复杂系统（如多轴协同工作）。