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C#设计模式系列(10)-组合模式

组合模式,将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构,组合模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。掌握组合模式的重点是要理解清楚 “部分/整体” 还有 ”单个对象“ 与 “组合对象” 的含义。

微软

组合模式,将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构,组合模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。
有时候又叫做部分-整体模式,它使我们树型结构的问题中,模糊了简单元素和复杂元素的概念,客户程序可以像处理简单元素一样来处理复杂元素,从而使得客户程序与复杂元素的内部结构解耦。

一、引言

在软件开发过程中,我们经常会遇到处理简单对象和复合对象的情况,例如对操作系统中目录的处理就是这样的一个例子,因为目录可以包括单独的文件,也可以包括文件夹,文件夹又是由文件组成的,由于简单对象和复合对象在功能上区别,导致在操作过程中必须区分简单对象和复合对象,这样就会导致客户调用带来不必要的麻烦,然而作为客户,它们希望能够始终一致地对待简单对象和复合对象。然而组合模式就是解决这样的问题。下面让我们看看组合模式是怎样解决这个问题的。

二、组合模式的详细介绍

2.1 组合模式的定义

组合模式允许你将对象组合成树形结构来表现”部分-整体“的层次结构,使得客户以一致的方式处理单个对象以及对象的组合。下面我们用绘制的例子来详细介绍组合模式,图形可以由一些基本图形元素组成(如直线,圆等),也可以由一些复杂图形组成(由基本图形元素组合而成),为了使客户对基本图形和复杂图形的调用保持一致,我们使用组合模式来达到整个目的。

组合模式实现的最关键的地方是——简单对象和复合对象必须实现相同的接口。这就是组合模式能够将组合对象和简单对象进行一致处理的原因。

2.2 组合模式的实现

介绍完组合模式的定义之后,让我们以图形的例子来实现组合模式,具体代码如下:

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// 通过一些简单图形以及一些复杂图形构建图形树来演示组合模式
 
// 客户端调用
    class Client
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ComplexGraphics complexGraphics = new ComplexGraphics("一个复杂图形和两条线段组成的复杂图形");
            complexGraphics.Add(new Line("线段A"));
            ComplexGraphics CompositeCG = new ComplexGraphics("一个圆和一条线组成的复杂图形");
            CompositeCG.Add(new Circle("圆"));
            CompositeCG.Add(new Circle("线段B"));
            complexGraphics.Add(CompositeCG);
            Line l = new Line("线段C");
            complexGraphics.Add(l);
 
 
// 显示复杂图形的画法
            Console.WriteLine("复杂图形的绘制如下:");
            Console.WriteLine("---------------------");
            complexGraphics.Draw();
            Console.WriteLine("复杂图形绘制完成");
            Console.WriteLine("---------------------");
            Console.WriteLine();
 
 
// 移除一个组件再显示复杂图形的画法
            complexGraphics.Remove(l);
            Console.WriteLine("移除线段C后,复杂图形的绘制如下:");
            Console.WriteLine("---------------------");
            complexGraphics.Draw();
            Console.WriteLine("复杂图形绘制完成");
            Console.WriteLine("---------------------");
            Console.Read();
        }
    }
 
    /// <summary>
    /// 图形抽象类,
    /// </summary>
    public abstract class Graphics
    {
        public string Name { get; set; }
        public Graphics(string name)
        {
            this.Name = name;
        }
 
        public abstract void Draw();
        public abstract void Add(Graphics g);
        public abstract void Remove(Graphics g);
    }
 
    /// <summary>
    /// 简单图形类——线
    /// </summary>
    public class Line : Graphics
    {
        public Line(string name)
            : base(name)
        { }
 
 
// 重写父类抽象方法
        public override void Draw()
        {
            Console.WriteLine("画  " + Name);
        }
 
// 因为简单图形在添加或移除其他图形,所以简单图形Add或Remove方法没有任何意义
 
// 如果客户端调用了简单图形的Add或Remove方法将会在运行时抛出异常
 
// 我们可以在客户端捕获该类移除并处理
        public override void Add(Graphics g)
        {
            throw new Exception("不能向简单图形Line添加其他图形");
        }
        public override void Remove(Graphics g)
        {
            throw new Exception("不能向简单图形Line移除其他图形");
        }
    }
 
    /// <summary>
    /// 简单图形类——圆
    /// </summary>
    public class Circle : Graphics
    {
        public Circle(string name)
            : base(name)
        { }
 
 
// 重写父类抽象方法
        public override void Draw()
        {
            Console.WriteLine("画  " + Name);
        }
 
        public override void Add(Graphics g)
        {
            throw new Exception("不能向简单图形Circle添加其他图形");
        }
        public override void Remove(Graphics g)
        {
            throw new Exception("不能向简单图形Circle移除其他图形");
        }
    }
 
    /// <summary>
    /// 复杂图形,由一些简单图形组成,这里假设该复杂图形由一个圆两条线组成的复杂图形
    /// </summary>
    public class ComplexGraphics : Graphics
    {
        private List<Graphics> complexGraphicsList = new List<Graphics>();
 
        public ComplexGraphics(string name)
            : base(name)
        { }
 
        /// <summary>
        /// 复杂图形的画法
        /// </summary>
        public override void Draw()
        {          
            foreach (Graphics g in complexGraphicsList)
            {
                g.Draw();
            }
        }
 
        public override void Add(Graphics g)
        {
            complexGraphicsList.Add(g);
        }
        public override void Remove(Graphics g)
        {
            complexGraphicsList.Remove(g);
        }
    }

由于基本图形对象不存在Add和Remove方法,上面实现中直接通过抛出一个异常的方式来解决这样的问题的,但是我们想以一种更安全的方式来解决——因为基本图形根本不存在这样的方法,我们是不是可以移除这些方法呢?为了移除这些方法,我们就不得不修改Graphics接口,我们把管理子对象的方法声明放在复合图形对象里面,这样简单对象Line、Circle使用这些方法时在编译时就会出错,这样的一种实现方式我们称为安全式的组合模式,然而上面的实现方式称为透明式的组合模式,下面让我们看看安全式的组合模式又是怎样实现的,具体实现代码如下:

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/// 安全式的组合模式
    /// 此方式实现的组合模式把管理子对象的方法声明在树枝构件ComplexGraphics类中
    /// 这样如果叶子节点Line、Circle使用了Add或Remove方法时,就能在编译期间出现错误
    /// 但这种方式虽然解决了透明式组合模式的问题,但是它使得叶子节点和树枝构件具有不一样的接口。
    /// 所以这两种方式实现的组合模式各有优缺点,具体使用哪个,可以根据问题的实际情况而定
    class Client
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ComplexGraphics complexGraphics = new ComplexGraphics("一个复杂图形和两条线段组成的复杂图形");
            complexGraphics.Add(new Line("线段A"));
            ComplexGraphics CompositeCG = new ComplexGraphics("一个圆和一条线组成的复杂图形");
            CompositeCG.Add(new Circle("圆"));
            CompositeCG.Add(new Circle("线段B"));
            complexGraphics.Add(CompositeCG);
            Line l = new Line("线段C");
            complexGraphics.Add(l);
 
 
// 显示复杂图形的画法
            Console.WriteLine("复杂图形的绘制如下:");
            Console.WriteLine("---------------------");
            complexGraphics.Draw();
            Console.WriteLine("复杂图形绘制完成");
            Console.WriteLine("---------------------");
            Console.WriteLine();
 
 
// 移除一个组件再显示复杂图形的画法
            complexGraphics.Remove(l);
            Console.WriteLine("移除线段C后,复杂图形的绘制如下:");
            Console.WriteLine("---------------------");
            complexGraphics.Draw();
            Console.WriteLine("复杂图形绘制完成");
            Console.WriteLine("---------------------");
            Console.Read();
        }
    }
 
    /// <summary>
    /// 图形抽象类,
    /// </summary>
    public abstract class Graphics
    {
        public string Name { get; set; }
        public Graphics(string name)
        {
            this.Name = name;
        }
 
        public abstract void Draw();
 
// 移除了Add和Remove方法
 
// 把管理子对象的方法放到了ComplexGraphics类中进行管理
 
// 因为这些方法只在复杂图形中才有意义
    }
 
    /// <summary>
    /// 简单图形类——线
    /// </summary>
    public class Line : Graphics
    {
        public Line(string name)
            : base(name)
        { }
 
 
// 重写父类抽象方法
        public override void Draw()
        {
            Console.WriteLine("画  " + Name);
        }
    }
 
    /// <summary>
    /// 简单图形类——圆
    /// </summary>
    public class Circle : Graphics
    {
        public Circle(string name)
            : base(name)
        { }
 
 
// 重写父类抽象方法
        public override void Draw()
        {
            Console.WriteLine("画  " + Name);
        }
    }
 
    /// <summary>
    /// 复杂图形,由一些简单图形组成,这里假设该复杂图形由一个圆两条线组成的复杂图形
    /// </summary>
    public class ComplexGraphics : Graphics
    {
        private List<Graphics> complexGraphicsList = new List<Graphics>();
        public ComplexGraphics(string name)
            : base(name)
        { }
 
        /// <summary>
        /// 复杂图形的画法
        /// </summary>
        public override void Draw()
        {
            foreach (Graphics g in complexGraphicsList)
            {
                g.Draw();
            }
        }
 
        public void Add(Graphics g)
        {
            complexGraphicsList.Add(g);
        }
        public void Remove(Graphics g)
        {
            complexGraphicsList.Remove(g);
        }
    }

2.3 组合模式的类图

看完了上面两者方式的实现之后,让我们具体看看组合模式的类图来理清楚组合模式中类之间的关系。

透明式的组合模式类图:

微软

安全式组合模式的类图:

微软

组合模式中涉及到三个角色:

  • 抽象构件(Component)角色:这是一个抽象角色,上面实现中Graphics充当这个角色,它给参加组合的对象定义出了公共的接口及默认行为,可以用来管理所有的子对象(在透明式的组合模式是这样的)。在安全式的组合模式里,构件角色并不定义出管理子对象的方法,这一定义由树枝结构对象给出。
  • 树叶构件(Leaf)角色:树叶对象时没有下级子对象的对象,上面实现中Line和Circle充当这个角色,定义出参加组合的原始对象的行为
  • 树枝构件(Composite)角色:代表参加组合的有下级子对象的对象,上面实现中ComplexGraphics充当这个角色,树枝对象给出所有管理子对象的方法实现,如Add、Remove等。

三、组合模式的优缺点

优点:

  • 组合模式使得客户端代码可以一致地处理对象和对象容器,无需关系处理的单个对象,还是组合的对象容器。
  • 将客户代码与复杂的对象容器结构“解耦。
  • 可以更容易地往组合对象中加入新的构件。

缺点:使得设计更加复杂。客户端需要花更多时间理清类之间的层次关系。(这个是几乎所有设计模式所面临的问题)。

注意的问题:

  • 有时候系统需要遍历一个树枝结构的子构件很多次,这时候可以考虑把遍历子构件的结构存储在父构件里面作为缓存。
  • 客户端尽量不要直接调用树叶类中的方法(在我上面实现就是这样的,创建的是一个树枝的具体对象,应该使用Graphics complexGraphics = new ComplexGraphics(“一个复杂图形和两条线段组成的复杂图形”);),而是借用其父类(Graphics)的多态性完成调用,这样可以增加代码的复用性。

四、组合模式的使用场景

在以下情况下应该考虑使用组合模式:

  1. 需要表示一个对象整体或部分的层次结构。
  2. 希望用户忽略组合对象与单个对象的不同,用户将统一地使用组合结构中的所有对象。

五、组合模式在.NET中的应用

组合模式在.NET 中最典型的应用就是应用与WinForms和Web的开发中,在.NET类库中,都为这两个平台提供了很多现有的控件,然而System.Windows.Forms.dll中System.Windows.Forms.Control类就应用了组合模式,因为控件包括Label、TextBox等这样的简单控件,同时也包括GroupBox、DataGrid这样复合的控件,每个控件都需要调用OnPaint方法来进行控件显示,为了表示这种对象之间整体与部分的层次结构,微软把Control类的实现应用了组合模式(确切地说应用了透明式的组合模式)。

六、总结

组合模式让你可以优化处理递归或分级数据结构。有许多关于分级数据结构的例子,使得组合模式非常有用武之地。关于分级数据结构的一个普遍性的例子是你每次使用电脑时所遇到的:文件系统。文件系统由目录和文件组成。每个目录都可以装内容。目录的内容可以是文件,也可以是目录。按照这种方式,计算机的文件系统就是以递归结构来组织的。如果你想要描述这样的数据结构,那么你可以使用组合模式Composite。

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