设计模式之组合模式(C++)
作者：翟天保Steven
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一、组合模式是什么？
组合模式是一种结构型的软件设计模式，将对象组合成树形结构，以凸显“部分-整体”的层次结构，使客户端对单个对象和组合对象的操作具备一致性。
组合模式和桥接模式都应用了组合的思想，不同之处在于：桥接模式侧重于同级别间的组合，如多个属性的组合，避免了类爆炸；组合模式侧重于部分和整体的组合，避免了单对象和组合对象的区别对待，那样会增加程序复杂度。
组合模式的优点：
- 层次鲜明。凸显“部分-整体”的层次结构。
- 一致性。对叶子对象（单）和容器对象（组合）的操作具备良好一致性。
- 节点自由度高。在结构中按需自由添加节点。
组合模式的缺点：
- 设计更抽象。
- 应用场景限制。
组合模式一般分为透明式组合模式和安全式组合模式。
1）透明式组合模式：将公共接口封装到抽象节点中，所有节点具备一致行为。
2）安全式组合模式：各层次差异较大，使用不同操作时建议采用该模式。
二、透明式组合模式
2.1 结构图
客户端即Main主函数，采用透明式，无需分辨节点是叶子还是容器，只需使用抽象节点。
2.2 代码示例
场景描述：我要设计一个文件系统，在文件夹中可以添加删除文件或者文件夹。
//File.h
/****************************************************/
#pragma once
#include
#include
using namespace std;
// 抽象类-节点
class Node
{
public:
// 构造函数
explicit Node(string name) :m_name(name) {};
// 析构函数
virtual ~Node() {};
// 添加
virtual void add(Node *node) {};
// 删除
virtual void remove(Node *node) {};
// 显示
virtual void show(int space) {
for (int i = 0; i < space; i++) {
cout << " ";
}
cout << m_name << endl;
}
protected:
string m_name; // 名字
};
// 具体类-Word文件
class WordFile :public Node
{
public:
// 构造函数
explicit WordFile(string name) :Node(name) {};
// 析构函数
virtual ~WordFile() {};
};
// 具体类-文件夹
class Folder :public Node
{
public:
// 构造函数
explicit Folder(string name) :Node(name) {};
// 析构函数
virtual ~Folder() {
nodeList.clear();
}
// 添加
virtual void add(Node *node) {
nodeList.emplace_back(node);
}
// 删除
virtual void remove(Node *node) {
nodeList.remove(node);
}
// 显示
virtual void show(int space) {
Node::show(space);
space++;
for (auto node : nodeList) {
node->show(space);
}
}
private:
list nodeList; // 节点列表
};
//main.cpp
/****************************************************/
#include
#include
#include "File.h"
using namespace std;
int main()
{
Node *f0 = new Folder("我的文件夹");
// 文件夹1中放入Word2和Word3，并将文件夹1放入我的文件夹
Node *f1 = new Folder("文件夹1");
Node *w2 = new WordFile("Word2");
Node *w3 = new WordFile("Word3");
f1->add(w2);
f1->add(w3);
f0->add(f1);
// 将Word1放入我的文件夹
Node *w1 = new WordFile("Word1");
f0->add(w1);
// 显示我的文件夹中的内容
f0->show(0);
// 删除文件夹1中的Word2文件，再次显示我的文件夹中的内容
f1->remove(w2);
f0->show(0);
// 删除指针并置空
delete f0, f1, w1, w2, w3;
f0 = nullptr;
f1 = nullptr;
w1 = nullptr;
w2 = nullptr;
w3 = nullptr;
return 0;
} 程序结果如下。
在上述示例中，我采用的都是抽象节点，因为抽象类中涵盖了几乎所有的行为。对外界（客户端）而言，叶子和容器的行为没有区别，它们的区别是不可见的也是透明的。但同样，这样的设计一定意义上也是不安全的，因为叶子不可能和容器有完全一致的行为，就像上文中文件夹的增删功能，文件是没有的，如果对文件进行文件夹的相关独特操作，要做相关的异常判断。
该模式是组合模式中常用的，虽然它违背了设计模式中的接口隔离原则（只提供需要的接口，不需要的接口要屏蔽）。
三、安全式组合模式
3.1 结构图
客户端即Main主函数，采用安全式，抽象类中只规定基础操作，而叶子和容器各自独有的操作将放在自身中完成，因此客户端在调用时无法直接使用抽象节点。
3.2 代码示例
场景描述：我要设计一个文件系统，在文件夹中可以添加删除文件或者文件夹。
//File.h
/****************************************************/
#pragma once
#include
#include
using namespace std;
// 抽象类-节点
class Node
{
public:
// 构造函数
explicit Node(string name) :m_name(name) {};
// 析构函数
virtual ~Node() {};
// 显示
virtual void show(int space) = 0;
protected:
string m_name; // 名字
};
// 具体类-Word文件
class WordFile :public Node
{
public:
// 构造函数
explicit WordFile(string name) :Node(name) {};
// 析构函数
virtual ~WordFile() {};
// 显示
virtual void show(int space) {
for (int i = 0; i < space; i++) {
cout << " ";
}
cout << m_name << endl;
}
};
// 具体类-文件夹
class Folder :public Node
{
public:
// 构造函数
explicit Folder(string name) :Node(name) {};
// 析构函数
virtual ~Folder() {
nodeList.clear();
}
// 添加
void add(Node *node) {
nodeList.emplace_back(node);
}
// 删除
void remove(Node *node) {
nodeList.remove(node);
}
// 显示
virtual void show(int space) {
for (int i = 0; i < space; i++) {
cout << " ";
}
cout << m_name << endl;
space++;
for (auto node : nodeList) {
node->show(space);
}
}
private:
list nodeList; // 节点列表
};
//main.cpp
/****************************************************/
#include
#include
#include "File.h"
using namespace std;
int main()
{
Folder *f0 = new Folder("我的文件夹");
// 文件夹1中放入Word2和Word3，并将文件夹1放入我的文件夹
Folder *f1 = new Folder("文件夹1");
WordFile *w2 = new WordFile("Word2");
WordFile *w3 = new WordFile("Word3");
f1->add(w2);
f1->add(w3);
f0->add(f1);
// 将Word1放入我的文件夹
WordFile *w1 = new WordFile("Word1");
f0->add(w1);
// 显示我的文件夹中的内容
f0->show(0);
// 删除文件夹1中的Word2文件，再次显示我的文件夹中的内容
f1->remove(w2);
f0->show(0);
// 删除指针并置空
delete f0, f1, w1, w2, w3;
f0 = nullptr;
f1 = nullptr;
w1 = nullptr;
w2 = nullptr;
w3 = nullptr;
return 0;
} 程序结果如下。
在上述示例中，客户端无法直接使用抽象节点了，因为抽象节点中没有add和remove的操作，但这样更安全了，叶子和容器不会调用对方的功能进而触发异常。
注意：该模式违背了依赖倒置原则（程序设计要依赖于抽象接口，不要依赖于具体实现）。
四、总结
我尽可能用较通俗的话语和直观的代码例程，来表述我对组合模式的理解，或许有考虑不周到的地方，如果你有不同看法欢迎评论区交流！希望我举的例子能帮助你更好地理解组合模式。
如果文章帮助到你了，可以点个赞让我知道，我会很快乐~加油！