设计模式- 组合模式（Composite）结构|原理|优缺点|场景|示例

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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来表示“部分-整体”的层次结构。这种模式使得客户端可以以一致的方式处理单个对象（叶子节点）和组合对象（容器节点），无需关心处理的是个体还是群体。组合模式使得你可以将对象看作是树形结构中的节点，节点可以是简单的对象，也可以是包含其他节点的复合对象，这样就能形成一个层次化的结构。

模式结构

组合模式主要涉及以下几个角色：

Component（抽象组件）：

定义了所有对象（包括叶子节点和容器节点）共享的公共接口。这个接口规定了如何访问和管理对象的子部件。
通常会提供一个方法来添加、删除子组件，以及遍历子组件的方法。

Leaf（叶子组件）：

是组合结构的终端节点，不包含任何子组件。
实现Component接口，但对于那些与子组件管理无关的方法（如添加、删除子组件），可以提供空实现或者抛出异常。

Composite（容器组件）：

包含一个或多个子组件，每个子组件也是Component的实例。
实现Component接口，提供与管理子组件相关的方法的实际逻辑，如添加、删除子组件以及遍历子组件。
可能会提供一些额外的方法来管理子组件集合，但这些方法通常不暴露给客户端。

工作原理

客户端：通过Component接口与系统交互，无需区分处理的是叶子节点还是容器节点。
Component：定义了通用接口，为所有组件（包括叶子和容器）提供一致性。
Leaf：实现Component接口，但不包含子组件，因此与子组件管理相关的操作为空或无效。
Composite：除了实现Component接口外，还持有子组件的集合，并提供操作子组件的方法。当客户端请求操作时，Composite会递归地将请求传递给它的子组件。

优缺点

优点

单一职责原则：组合模式使得叶子节点和容器节点都遵循单一职责原则，各自专注于自己的功能。
透明性：客户端可以一致地处理单个对象和组合对象，无需知道处理的是叶子还是容器，提高了代码的透明性和简洁性。
易于扩展：新类型的组件只需继承Component或实现相关接口即可加入到组合结构中，不影响已有代码。

缺点

设计复杂度增加：为了实现组合模式，需要设计额外的抽象层和接口，使得系统变得相对复杂。
递归操作可能导致性能问题：如果组合结构非常深，递归操作可能会导致栈溢出或效率下降。

适用场景

系统需要处理对象的“部分-整体”关系：当需要表示对象的层级结构时，组合模式可以很好地表示这种关系。
希望客户端以一致的方式处理单个对象和组合对象：组合模式使得客户端无需关心处理对象的具体类型，简化了客户端代码。
希望简化新组件类型的添加：新的叶子节点或容器节点只需要符合Component接口即可轻松融入现有系统。

代码示例（以Java为例）

// 抽象组件
interface Component {
    void add(Component component);
    void remove(Component component);
    void operation();
}

// 叶子节点
class Leaf implements Component {
    private String name;

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

    @Override
    public void add(Component component) {
        throw new UnsupportedOperationException("Leaves cannot have children.");
    }

    @Override
    public void remove(Component component) {
        throw new UnsupportedOperationException("Leaves cannot have children.");
    }

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

// 容器节点
class Composite implements Component {
    private List<Component> children = new ArrayList<>();
    private String name;

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

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

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

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

// 客户端代码
public class CompositePatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Component root = new Composite("Root");
        root.add(new Leaf("Leaf A"));
        root.add(new Leaf("Leaf B"));

        Component branch = new Composite("Branch");
        branch.add(new Leaf("Leaf C"));
        branch.add(new Leaf("Leaf D"));

        root.add(branch);

        root.operation();
    }
}

在这个Java示例中：

Component接口定义了所有组件（叶子和容器）的通用接口，包括添加、删除子组件和执行操作的方法。
Leaf类实现了Component接口，但其add和remove方法抛出异常，表示叶子节点无法添加或删除子节点。operation方法输出叶子节点执行操作的信息。
Composite类同样实现了Component接口，并维护了一个List<Component>来存储子组件。add和remove方法实现了对子组件的增删操作。operation方法不仅执行自身操作，还递归地调用其子组件的operation方法。
客户端代码创建了一个树状结构，并通过调用根节点的operation方法，以一致的方式处理整个组合结构中的所有组件。

代码示例（以Python为例）

from abc import ABC, abstractmethod


class FileSystemObject(ABC):
    """抽象组件（Component）"""
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    @abstractmethod
    def add(self, child):
        pass

    @abstractmethod
    def remove(self, child):
        pass

    @abstractmethod
    def get_child(self, index):
        pass

    @abstractmethod
    def operation(self):
        pass


class File(FileSystemObject):
    """叶子组件（Leaf）"""
    def add(self, child):
        raise TypeError("Cannot add children to a file")

    def remove(self, child):
        raise TypeError("Cannot remove children from a file")

    def get_child(self, index):
        raise IndexError("Files do not have children")

    def operation(self):
        return f"Performing operation on file: {self.name}"


class Directory(FileSystemObject):
    """复合组件（Composite）"""
    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)
        self.children = []

    def add(self, child):
        self.children.append(child)

    def remove(self, child):
        self.children.remove(child)

    def get_child(self, index):
        return self.children[index]

    def operation(self):
        result = f"Performing operation on directory: {self.name}\n"
        for child in self.children:
            result += child.operation() + "\n"
        return result


# 客户端代码
if __name__ == "__main__":
    root_dir = Directory("root")
    dir_a = Directory("dir_a")
    dir_b = Directory("dir_b")
    file_1 = File("file_1.txt")
    file_2 = File("file_2.txt")

    root_dir.add(dir_a)
    root_dir.add(dir_b)
    dir_a.add(file_1)
    dir_b.add(file_2)

    print(root_dir.operation())

在这个Python示例中：

FileSystemObject是抽象组件，使用abc模块中的ABC类和abstractmethod装饰器定义了所有文件系统对象共有的接口，如添加、删除子对象和执行操作等。
File类作为叶子组件，继承自FileSystemObject，实现了operation方法，并且其add、remove和get_child方法抛出异常，表示文件不能包含子对象。
Directory类作为复合组件，同样继承自FileSystemObject，并且维护了一个children列表来存储子对象（可以是文件或子目录）。add、remove和get_child方法实现了对子对象的管理。operation方法不仅执行自身操作，还递归地调用其子对象的operation方法，从而处理整个目录树。