軟體設計模式系列之十——組合模式

cooldream2009發表於2023-09-20
設計模式

1 模式的定義

組合模式是一種結構型設計模式，用於將物件組合成樹形結構以表示部分-整體層次結構。這個模式允許客戶端以一致的方式處理單個物件和物件組合，因此它將單個物件和組合物件視為可互換的。
組合模式允許你將物件組合成樹狀結構來表示"部分-整體"的層次結構。組合模式使得客戶端可以統一地處理單個物件和組合物件，無需關心它們的具體型別，從而簡化了客戶端的程式碼。

2 舉例說明

讓我們以檔案系統為例來說明組合模式。在檔案系統中，檔案和目錄都可以被視為物件。檔案是葉節點，而目錄可以包含檔案和其他目錄，形成一個樹形結構。

假設有一個檔案系統，其中包含以下結構：

  • 檔案1.txt
  • 檔案2.txt
  • 資料夾A
    • 檔案3.txt
    • 資料夾B
      • 檔案4.txt

在這裡，資料夾A是一個組合物件，它包含了檔案3.txt和資料夾B，而資料夾B也是一個組合物件，它包含了檔案4.txt。這種層次結構可以透過組合模式來表示和操作。

3 結構

組合模式的結構包括以下幾個要素：

抽象元件（Component）：定義組合中的物件的通用介面，可以是抽象類或介面，包含了新增、刪除、獲取子元件等公共方法。

葉子元件（Leaf）：表示組合中的葉子節點物件，沒有子節點，實現了抽象元件的介面。

容器元件（Composite）：表示組合中的容器節點物件，可以包含葉子節點和其他容器節點，實現了抽象元件的介面，包含了管理子元件的方法。

客戶端（Client）：使用組合模式的客戶端，透過抽象元件的介面操作組合中的物件，不需要知道具體的葉子節點和容器節點的實現。

其中，抽象元件是組合模式的核心，定義了組合中物件的通用介面，使得葉子節點和容器節點可以一視同仁，客戶端透過抽象元件的介面操作組合中的物件，實現了組合模式的透明性。

4 實現步驟

實現組合模式時，通常需要遵循以下步驟：

建立一個抽象的 Component 介面，定義了組合物件和葉物件的公共介面，包括新增、刪除、獲取子元件等方法。

建立具體的 Leaf 類，實現 Component 介面，表示葉物件。

建立具體的 Composite 類，實現 Component 介面，表示組合物件。在 Composite 類中，通常會維護一個子物件列表，用於儲存包含的子元件。

在客戶端程式碼中，可以建立組合物件和葉物件，然後以一致的方式操作它們，無需關心它們的具體型別。

5 程式碼實現（java）

以下是一個簡單的 Java 程式碼示例，演示了組合模式的實現：

// Step 1: Component interface
interface Component {
    void operation();
}

// Step 2: Leaf class
class Leaf implements Component {
    private String name;

    public Leaf(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void operation() {
        System.out.println("Leaf: " + name);
    }
}

// Step 3: Composite class
class Composite implements Component {
    private List<Component> children = new ArrayList<>();

    public void add(Component component) {
        children.add(component);
    }

    public void remove(Component component) {
        children.remove(component);
    }

    @Override
    public void operation() {
        System.out.println("Composite:");
        for (Component component : children) {
            component.operation();
        }
    }
}

// Step 4: Client code
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // Create leaf objects
        Leaf leaf1 = new Leaf("File1.txt");
        Leaf leaf2 = new Leaf("File2.txt");
        Leaf leaf3 = new Leaf("File3.txt");
        Leaf leaf4 = new Leaf("File4.txt");

        // Create composite objects
        Composite folderA = new Composite();
        Composite folderB = new Composite();

        // Add leaf objects to folderA and folderB
        folderA.add(leaf1);
        folderA.add(leaf2);
        folderA.add(leaf3);
        folderB.add(leaf4);

        // Add folderB to folderA
        folderA.add(folderB);

        // Perform operations
        folderA.operation();
    }
}

6 典型應用場景

組合模式在以下場景中經常被使用：

選單和選單項：選單通常由選單項組成，選單項可以是葉節點，也可以是包含其他選單項的選單。使用組合模式可以方便地構建選單的層次結構。

組織結構：組織結構通常由部門和員工組成，部門可以包含其他部門或員工，形成樹狀結構。使用組合模式可以方便地管理組織結構的層次關係。

圖形介面控制元件：圖形介面通常由控制元件組成，控制元件可以是容器控制元件，也可以是按鈕、文字框等基本控制元件。使用組合模式可以方便地構建複雜的圖形介面。

訂單和訂單項：訂單通常由訂單項組成，訂單項可以是商品或服務，也可以是其他訂單。使用組合模式可以方便地管理訂單的層次結構。

7 優缺點

優點：

可以方便地處理樹形結構，將葉子節點和容器節點一視同仁，簡化了客戶端的操作。增加新的元件也很容易，只需要實現抽象元件的介面即可。可以使客戶端程式碼更加簡潔，不需要考慮葉子節點和容器節點的具體實現。符合開閉原則，可以很方便地擴充套件組合中的物件。

缺點：

可能會導致設計過度，增加了系統的複雜性。可能會降低系統的效能，因為需要遞迴遍歷整個樹形結構。可能會使設計變得抽象，不太容易理解和維護。

總之，組合模式適用於需要處理樹形結構的場景，可以使程式碼更加簡潔，符合開閉原則，但也需要注意不要過度設計，以及可能會降低系統的效能

8 類似模式

組合模式與以下模式有一定的相似性：

裝飾者模式（Decorator Pattern）：裝飾者模式和組合模式都是透過組合物件來實現功能的。但裝飾者模式注重對單個物件的功能進行擴充套件，而組合模式注重對整個物件結構進行操作。

迭代器模式（Iterator Pattern）：迭代器模式和組合模式都可以用於處理集合物件。迭代器模式透過提供一個迭代器物件來遍歷集合，而組合模式可以用於構建樹形結構的集合。

訪問者模式（Visitor Pattern）：訪問者模式和組合模式都可以用於處理樹形結構。但訪問者模式注重對樹形結構中的節點進行操作，而組合模式注重對整個物件結構進行操作。

這些模式之間的聯絡在於它們都涉及到物件的組合和操作，但關注點和應用場景有所不同。組合模式主要用於處理樹形結構，將葉子節點和容器節點一視同仁，簡化了操作。而其他模式則更加註重對單個物件或集合物件的功能擴充套件、遍歷和操作。

9 小結

組合模式是一種有助於構建部分-整體層次結構的設計模式，允許客戶端以一致的方式處理單個物件和組合物件。它的核心思想是將物件組織成樹形結構，其中葉物件表示單個元素，而組合物件表示包含其他物件的容器。透過使用組合模式，可以更容易地管理複雜的結構，並使程式碼更加靈活和可擴充套件。但在使用時需要注意效能和介面的一致性問題。

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