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组合模式 Composite Pattern

news 来源：原创 2025/5/10 4:03:02

https://en.wikipedia.org/wiki/Composite_pattern

组合模式是一种结构型设计模式。组合模式描述了一组对象，这些对象被视为同一类型对象的单个实例。组合的目的是将对象“组合「compose」”成树结构，以表示部分-整体层次结构。实现组合模式可以让客户端统一处理单个对象和组合。

解决的问题

表示 part-whole 层次结构，以便客户端可以统一处理部分和整体对象。
将 part-whole 层次表示为树结构。
在定义（1）Part对象和（2）充当Part对象容器的Whole对象时，客户端必须单独处理它们，这会使客户端代码复杂化。

解决方案

为 part（Leaf）对象和 whole（Composite）对象定义统一的Component接口。
单个Leaf对象直接实现Component接口，Composite对象将请求转发到其子组件。

这使客户端能够通过Component接口统一处理Leaf和Composite对象：Leaf对象直接执行请求，Composite对象沿树结构向下递归地将请求转发给其子组件。这使得客户端类更容易实现、更改、测试和重用。

另请参见下面的UML类和对象图「object diagram」。

UML class and object diagram

在上面的UML类图中，Client类没有直接（separately）引用Leaf和Composite类。相反，客户端引用公共 Component 接口，可以统一处理Leaf和Composite。
Leaf类没有子类，直接实现Component接口。
Composite类维护一个Component子对象（children）的容器，并将请求转发给这些子对象（对于children中的每个子对象：child.operation（））。

对象协作图「object collaboration diagram」显示了运行时交互：在这个例子中，Client对象向树结构中的顶级Composite对象（Component类型）发送请求。请求被转发到树结构下方的所有子组件对象（Leaf 和 Composite对象）。

Defining Child-Related Operations

有两种设计变体「variants」用于定义和实现与子组件相关的操作「child-related operations」，例如向容器中添加/从容器中删除子组件(add（child)/remove(child)）和访问子组件（getChild()）：

1，一致性设计「Design for uniformity」：在Component接口中定义与child相关的操作。这使得客户端可以统一地处理Leaf和Composite对象。但是类型安全性丢失了，因为客户端可以对Leaf对象执行与child对象相关的操作。
2，为类型安全而设计「Design for type safety:」：与child相关的操作仅在Composite类中定义。客户端必须区别对待Leaf和Composite对象。但是类型安全是可以获得的，因为客户端不能在Leaf对象上执行与子对象相关的操作。

组合设计模式强调一致性而不是类型安全性。

UML class diagram

Component

        是所有组件的抽象，包括Composite 组件
        声明组合中「composition」对象的接口
        （可选）定义了一个用于访问递归结构中组件父级的接口，并在适当的情况下实现它

Leaf

表示组合中「composition」的叶子对象
实现所有Component方法

Composite
表示组合组件（具有子组件的组件）
实现操纵children的方法
实现所有Component方法，通常是通过将它们委托给其 children

Variation

该模式还涉及在主 Component 接口中包含 child-manipulation 方法，而不仅仅是Composite子类。最近的描述有时会省略这些方法。

举个例子

假设我们要设计一个文件系统，文件系统中有文件和文件夹：

文件是叶子节点，没有子节点。
文件夹是容器节点，可以包含文件或其他文件夹。

使用组合模式：

Component：定义一个抽象类 FileSystemComponent，包含一个方法 display()。
Leaf：File 类继承 FileSystemComponent，实现 display() 方法。
Composite：Folder 类继承 FileSystemComponent，包含一个子节点列表，并实现 display() 方法（递归显示所有子节点）。

客户端可以统一调用 display() 方法，无论是文件还是文件夹。

优点

简化客户端代码：客户端无需区分叶子节点和容器节点，统一处理。
扩展性强：可以轻松添加新的组件类型。
符合开闭原则：对扩展开放，对修改关闭。

缺点

设计复杂：需要定义统一的接口，可能增加系统的复杂性。
类型检查问题：在某些情况下，客户端可能需要检查对象的具体类型。

适用场景

需要表示“部分-整体”的层次结构。
希望客户端以统一的方式处理单个对象和组合对象。
需要动态地添加或删除组件。

from abc import ABC, abstractmethod

# Component
class FileSystemComponent(ABC):
    @abstractmethod
    def display(self):
        pass

# Leaf
class File(FileSystemComponent):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def display(self):
        print(f"File: {self.name}")

# Composite
class Folder(FileSystemComponent):
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.children = []

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

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

    def display(self):
        print(f"Folder: {self.name}")
        for child in self.children:
            child.display()

# Client
if __name__ == "__main__":
    file1 = File("file1.txt")
    file2 = File("file2.txt")
    folder1 = Folder("Folder1")
    folder1.add(file1)
    folder1.add(file2)

    folder2 = Folder("Folder2")
    folder2.add(File("file3.txt"))
    folder2.add(folder1)

    folder2.display()