定义
组合模式(Composite Pattern)是一种结构型设计模式,它允许你将对象组合成树形结构,并且能像使用单独对象一样使用组合对象。组合模式让客户端代码对单个对象和复合对象的使用具有一致性。
在组合模式中,我们定义以下几个角色:
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Component:这是一个抽象组件接口,它定义了所有组件共有的行为。这些行为包括添加和删除子组件、显示子组件等。
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Leaf:这是具体组件,也就是叶子节点,它实现了组件接口,但没有子组件。
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Composite:这也是具体组件,但它充当容器角色,它持有一组子组件,并实现了组件接口。Composite 负责在其内部实现子组件的递归组合。
示例
下面是一个C++中使用组合模式的示例,我们创建一个简单的图形系统,其中包含圆形、矩形和组合图形(可以包含其他图形):
#include <iostream>
#include <vector> // 组件接口
class Shape {
public: virtual void draw() = 0; virtual void add(Shape* shape) = 0; virtual void remove(Shape* shape) = 0; virtual std::vector<Shape*> getChildren() = 0;
}; // 叶子节点:圆形
class Circle : public Shape {
private: int radius; public: Circle(int radius) : radius(radius) {} void draw() override { std::cout << "Drawing Circle with radius: " << radius << std::endl; } void add(Shape* shape) override { // 圆形不能添加子组件 } void remove(Shape* shape) override { // 圆形不能删除子组件 } std::vector<Shape*> getChildren() override { return {}; // 圆形没有子组件 }
}; // 叶子节点:矩形
class Rectangle : public Shape {
private: int width, height; public: Rectangle(int width, int height) : width(width), height(height) {} void draw() override { std::cout << "Drawing Rectangle with width: " << width << " and height: " << height << std::endl; } void add(Shape* shape) override { // 矩形不能添加子组件 } void remove(Shape* shape) override { // 矩形不能删除子组件 } std::vector<Shape*> getChildren() override { return {}; // 矩形没有子组件 }
}; // 容器节点:组合图形
class CompositeShape : public Shape {
private: std::vector<Shape*> children; public: void draw() override { std::cout << "Drawing CompositeShape:" << std::endl; for (Shape* child : children) { child->draw(); } } void add(Shape* shape) override { children.push_back(shape); } void remove(Shape* shape) override { auto it = std::find(children.begin(), children.end(), shape); if (it != children.end()) { children.erase(it); } } std::vector<Shape*> getChildren() override { return children; }
}; int main() { // 创建组合图形 CompositeShape composite; // 添加子组件 composite.add(new Circle(5)); composite.add(new Rectangle(10, 20)); // 创建另一个组合图形,并添加到之前的组合图形中 CompositeShape anotherComposite; anotherComposite.add(new Circle(10)); anotherComposite.add(new Rectangle(5, 15)); composite.add(&anotherComposite); // 注意这里传递的是指针 // 绘制组合图形 composite.draw(); // 清理资源(在实际应用中,你可能需要更复杂的内存管理策略) for (Shape* child : composite.getChildren()) { delete child; } return 0;
}
在这个示例中,Shape
是一个抽象组件接口,它定义了所有组件共有的行为。Circle
和 Rectangle
是具体组件(叶子节点),它们实现了 Shape
接口但没有子组件。CompositeShape
是容器组件,它持有一组子组件,并实现了 Shape
接口。
在组合模式示例中,CompositeShape
类扮演着组合对象的角色,它管理着一组子组件,并提供了添加、删除和绘制子组件的方法。由于 CompositeShape
也实现了 Shape
接口,它可以在其他组合对象中被当作一个普通的组件来使用,从而实现了对象组合的一致性。
组合模式的主要优点有:
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一致性:客户端代码可以以一致的方式来处理单个对象和组合对象,无需关心对象是否是复合的。
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扩展性:你可以方便地添加新的组件类型,因为系统是基于接口而不是具体类构建的。
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灵活性:你可以很容易地组合和分解对象,因为组件之间的层次结构是动态的。
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封装性:组合模式允许你将一些对象组合成一个树形结构来表现“部分-整体”的层次结构,并且能像使用单个对象一样使用组合对象。
然而,组合模式也有一些潜在的缺点:
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复杂性:组合模式可能会增加系统的复杂性,特别是当组合对象嵌套层次很深时。
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内存使用:如果组合对象包含大量子组件,可能会占用较多的内存。
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性能开销:在遍历组合对象以执行某些操作时,可能会产生额外的性能开销。
在实际应用中,组合模式常用于实现如文件/目录结构、UI组件树、编译器中的语法树等场景,其中整体和部分可以以同样的方式被对待。
回到示例代码,在 main
函数中,我们创建了一个 CompositeShape
对象 composite
,并向其添加了几个子组件,包括 Circle
和 Rectangle
对象,以及另一个 CompositeShape
对象 anotherComposite
。然后我们调用 draw
方法来绘制整个组合对象。在绘制过程中,CompositeShape
会递归地调用其所有子组件的 draw
方法,从而实现了组合对象的绘制。
最后,我们需要注意资源管理问题。在这个示例中,我们手动删除了所有动态分配的对象,以避免内存泄漏。在实际应用中,你可能需要采取更复杂的内存管理策略,例如使用智能指针(如 std::shared_ptr
或 std::unique_ptr
)来自动管理对象的生命周期。