C#设计模式(10)——组合模式(Composite Pattern)

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:

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:

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:

安全式组合模式的类图:

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:

  1. 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。
  2. 将”客户代码与复杂的对象容器结构“解耦。
  3. 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:

  1. 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。
  2. 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

到这里组合模式的介绍就结束了,组合模式解耦了客户程序与复杂元素内部结构,从而使客户程序可以向处理简单元素一样来处理复杂元素。

本文中所有源码:设计模式之组合模式

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