【C++设计模式】第八篇：组合模式（Composite）

注意：复现代码时，确保 VS2022 使用 C++17/20 标准以支持现代特性。

树形结构的统一操作接口

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1. 模式定义与用途

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核心思想

• 组合模式：将对象组合成树形结构以表示"部分-整体"层次结构，使得客户端可以统一处理单个对象和组合对象。
• 关键用途 ：
  1.简化递归结构操作（如遍历目录树、渲染UI控件树）。
  2.隐藏复杂结构的差异，提供一致性接口。

​经典场景

1. 文件系统管理（文件与文件夹的统一操作）。
2. 图形界面容器（窗口包含按钮、面板等子控件）。

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2. 模式结构解析

UML类图

+---------------------+  
|      Component      |  
+---------------------+  
| + add(c: Component) |  
| + remove(c: Component)|  
| + operation()       |  
+---------------------+  
          ^  
          |  
  +-------+-------+  
  |               |  
+-----------------+ +-----------------+  
|    Composite    | |      Leaf       |  
+-----------------+ +-----------------+  
| - children: list | | + operation()  |  
| + operation()    | +-----------------+  
+-----------------+  

角色说明

1. Component：抽象接口，定义叶子和容器的共同操作（如add、remove）。
2. Leaf：叶子节点，无子组件（如文件）。
3. Composite：容器节点，存储子组件并实现递归逻辑（如文件夹）。

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3. 简单示例：透明模式（统一接口）​

#include <iostream>  
#include <vector>  
#include <memory>  

// 抽象组件（透明模式：叶子与容器接口一致）  
class FileSystemComponent {  
public:  
    virtual ~FileSystemComponent() = default;  
    virtual void add(std::shared_ptr<FileSystemComponent> item) {  
        throw std::runtime_error("叶子节点不支持此操作");  
    }  
    virtual void list() const = 0;  
};  

// 叶子：文件  
class File : public FileSystemComponent {  
public:  
    File(const std::string& name) : name_(name) {}  

    void list() const override {  
        std::cout << "文件: " << name_ << "\n";  
    }  

private:  
    std::string name_;  
};  

// 容器：文件夹  
class Folder : public FileSystemComponent {  
public:  
    Folder(const std::string& name) : name_(name) {}  

    void add(std::shared_ptr<FileSystemComponent> item) override {  
        children_.push_back(item);  
    }  

    void list() const override {  
        std::cout << "文件夹: " << name_ << "\n";  
        for (const auto& child : children_) {  
            child->list();  
        }  
    }  

private:  
    std::string name_;  
    std::vector<std::shared_ptr<FileSystemComponent>> children_;  
};  

// 使用示例  
int main() {  
    auto root = std::make_shared<Folder>("根目录");  
    auto docs = std::make_shared<Folder>("文档");  
    auto file1 = std::make_shared<File>("简历.pdf");  
    auto file2 = std::make_shared<File>("笔记.txt");  

    docs->add(file1);  
    docs->add(file2);  
    root->add(docs);  

    root->list();  // 递归列出所有内容  
}  

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4. 完整代码：安全模式与扩展功能

场景：图形界面控件树

#include <iostream>  
#include <vector>  
#include <memory>  
#include <algorithm>  

// 抽象组件（安全模式：叶子与容器接口分离）  
class UIComponent {  
public:  
    virtual ~UIComponent() = default;  
    virtual void render() const = 0;  
    virtual std::string getName() const = 0;  
};  

// 容器接口（仅容器支持添加/删除）  
class UIContainer : public UIComponent {  
public:  
    virtual void add(std::shared_ptr<UIComponent> child) = 0;  
    virtual void remove(std::shared_ptr<UIComponent> child) = 0;  
};  

// 叶子：按钮  
class Button : public UIComponent {  
public:  
    Button(const std::string& name) : name_(name) {}  

    void render() const override {  
        std::cout << "渲染按钮: " << name_ << "\n";  
    }  

    std::string getName() const override {  
        return name_;  
    }  

private:  
    std::string name_;  
};  

// 容器：面板  
class Panel : public UIContainer {  
public:  
    Panel(const std::string& name) : name_(name) {}  

    void add(std::shared_ptr<UIComponent> child) override {  
        children_.push_back(child);  
    }  

    void remove(std::shared_ptr<UIComponent> child) override {  
        auto it = std::find(children_.begin(), children_.end(), child);  
        if (it != children_.end()) {  
            children_.erase(it);  
        }  
    }  

    void render() const override {  
        std::cout << "渲染面板: " << name_ << "\n";  
        for (const auto& child : children_) {  
            child->render();  
        }  
    }  

    std::string getName() const override {  
        return name_;  
    }  

private:  
    std::string name_;  
    std::vector<std::shared_ptr<UIComponent>> children_;  
};  

// 客户端代码  
int main() {  
    auto mainPanel = std::make_shared<Panel>("主面板");  
    auto button1 = std::make_shared<Button>("确定");  
    auto button2 = std::make_shared<Button>("取消");  
    auto subPanel = std::make_shared<Panel>("子面板");  
    auto button3 = std::make_shared<Button>("更多");  

    subPanel->add(button3);  
    mainPanel->add(button1);  
    mainPanel->add(button2);  
    mainPanel->add(subPanel);  

    mainPanel->render();  
    // 输出：  
    // 渲染面板: 主面板  
    // 渲染按钮: 确定  
    // 渲染按钮: 取消  
    // 渲染面板: 子面板  
    // 渲染按钮: 更多  
}  

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5. 优缺点分析

优点	​​缺点
统一处理简单与复杂对象	透明模式违反接口隔离原则（叶子支持add）
支持递归操作与树形遍历	容器需管理子节点生命周期，增加复杂度
灵活扩展新组件类型	对性能敏感场景不友好（深层次遍历）

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6. 调试与优化策略

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调试技巧（VS2022）​

1. 递归调用跟踪 ：
   在render()方法内设置条件断点（如getName() == "子面板"）。
2. 内存泄漏检测 ：
   使用VS2022内置诊断工具（Debug > Windows > Memory Usage）。

性能优化

1. 缓存遍历结果：

class CachedPanel : public Panel {  
public:  
    void render() const override {  
        if (!cached_) {  
            cachedOutput_ = generateRenderOutput();  
            cached_ = true;  
        }  
        std::cout << cachedOutput_;  
    }  
private:  
    mutable bool cached_ = false;  
    mutable std::string cachedOutput_;  
};  

2. 并行化渲染

#include <execution>  
void Panel::render() const {  
    std::for_each(std::execution::par, children_.begin(), children_.end(),  
        [](const auto& child) { child->render(); });  
}