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设计模式 | 组合模式

news 来源：原创 2025/6/30 8:08:31

组合模式（Composite Pattern） 是结构型设计模式中的层次管理大师，它允许你将对象组合成树形结构来表示"部分-整体"的层次关系。本文将深入探索组合模式的核心思想、实现技巧以及在C++中的高效实践，解决复杂树形结构的统一管理问题。

为什么需要组合模式？

在软件开发中，我们经常需要处理树形结构的数据：

  • 文件系统中的目录与文件

  • GUI中的容器与控件

  • 组织架构中的部门与员工

  • 产品分类中的类别与产品

传统处理方式的问题：

  • 不一致的接口：叶子节点和容器节点接口不同

  • 复杂的递归逻辑：处理树形结构需要大量递归代码

  • 代码重复：相似逻辑分散在不同类型节点中

  • 扩展困难：新增节点类型需要修改现有代码

组合模式通过统一叶子与容器的接口解决了这些问题，提供了优雅的树形结构管理方案。

组合模式的核心概念

模式结构解析

          [组件接口]▲|-----------------|               |
[叶子节点]       [容器节点] → [子组件]

关键角色定义

  1. 组件（Component）

    • 定义所有对象的通用接口

    • 声明管理子组件的接口（可选）

  2. 叶子（Leaf）

    • 表示树中的叶子节点（没有子节点）

    • 实现组件接口

  3. 容器（Composite）

    • 表示树中的分支节点（有子节点）

    • 实现组件接口

    • 存储并管理子组件

C++实现：文件系统模拟

让我们实现一个文件系统模拟，展示组合模式的实际应用：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <iomanip>// ================= 组件接口：文件系统项 =================
class FileSystemComponent {
public:virtual ~FileSystemComponent() = default;virtual std::string getName() const = 0;virtual int getSize() const = 0;virtual void display(int depth = 0) const = 0;// 容器管理方法（叶子节点不实现）virtual void add(std::shared_ptr<FileSystemComponent> component) {throw std::runtime_error("不支持的操作: add");}virtual void remove(std::shared_ptr<FileSystemComponent> component) {throw std::runtime_error("不支持的操作: remove");}virtual std::shared_ptr<FileSystemComponent> getChild(int index) const {throw std::runtime_error("不支持的操作: getChild");}
};// ================= 叶子节点：文件 =================
class File : public FileSystemComponent {
public:File(std::string name, int size) : name_(std::move(name)), size_(size) {}std::string getName() const override {return name_;}int getSize() const override {return size_;}void display(int depth = 0) const override {std::cout << std::string(depth * 2, ' ') << "- " << name_ << " (" << size_ << " bytes)\n";}private:std::string name_;int size_;
};// ================= 容器节点：目录 =================
class Directory : public FileSystemComponent {
public:explicit Directory(std::string name) : name_(std::move(name)) {}std::string getName() const override {return name_;}int getSize() const override {int totalSize = 0;for (const auto& item : children_) {totalSize += item->getSize();}return totalSize;}void add(std::shared_ptr<FileSystemComponent> component) override {children_.push_back(component);}void remove(std::shared_ptr<FileSystemComponent> component) override {auto it = std::find(children_.begin(), children_.end(), component);if (it != children_.end()) {children_.erase(it);}}std::shared_ptr<FileSystemComponent> getChild(int index) const override {if (index < 0 || index >= children_.size()) {return nullptr;}return children_[index];}void display(int depth = 0) const override {std::cout << std::string(depth * 2, ' ') << "+ " << name_ << " [目录, 大小: " << getSize() << " bytes]\n";for (const auto& child : children_) {child->display(depth + 1);}}private:std::string name_;std::vector<std::shared_ptr<FileSystemComponent>> children_;
};// ================= 客户端代码 =================
int main() {// 创建文件系统结构auto root = std::make_shared<Directory>("根目录");// 添加文件到根目录root->add(std::make_shared<File>("系统日志.txt", 1024));root->add(std::make_shared<File>("README.md", 512));// 创建子目录auto documents = std::make_shared<Directory>("文档");auto images = std::make_shared<Directory>("图片");auto music = std::make_shared<Directory>("音乐");// 添加文档documents->add(std::make_shared<File>("报告.docx", 2048));documents->add(std::make_shared<File>("预算表.xlsx", 4096));// 添加图片images->add(std::make_shared<File>("头像.jpg", 3072));images->add(std::make_shared<File>("风景.png", 8192));// 添加音乐auto rock = std::make_shared<Directory>("摇滚");music->add(rock);rock->add(std::make_shared<File>("摇滚经典1.mp3", 5120));rock->add(std::make_shared<File>("摇滚经典2.mp3", 6144));auto jazz = std::make_shared<Directory>("爵士");music->add(jazz);jazz->add(std::make_shared<File>("爵士乐1.mp3", 2560));jazz->add(std::make_shared<File>("爵士乐2.mp3", 3584));// 将子目录添加到根目录root->add(documents);root->add(images);root->add(music);// 显示整个文件系统std::cout << "===== 文件系统结构 =====\n";root->display();// 计算总大小std::cout << "\n===== 统计信息 =====\n";std::cout << "根目录总大小: " << root->getSize() << " bytes\n";std::cout << "音乐目录大小: " << music->getSize() << " bytes\n";std::cout << "摇滚目录大小: " << rock->getSize() << " bytes\n";// 查找特定文件std::cout << "\n===== 查找文件 =====\n";auto findFile = [](const std::shared_ptr<FileSystemComponent>& root, const std::string& name) -> std::shared_ptr<FileSystemComponent> {if (root->getName() == name) {return root;}try {for (int i = 0; ; ++i) {auto child = root->getChild(i);if (!child) break;if (auto found = findFile(child, name)) {return found;}}} catch (const std::runtime_error&) {// 叶子节点没有子节点，忽略异常}return nullptr;};if (auto file = findFile(root, "预算表.xlsx")) {std::cout << "找到文件: " << file->getName() << ", 大小: " << file->getSize() << " bytes\n";}return 0;
}

组合模式的四大优势

1. 统一处理简单和复杂元素

// 统一接口处理文件和目录
void processItem(FileSystemComponent* item) {std::cout << "名称: " << item->getName() << ", 大小: " << item->getSize() << "\n";item->display();// 无论item是文件还是目录，都能正常工作
}

2. 简化客户端代码

// 客户端不需要区分文件和目录
void printStructure(FileSystemComponent* component) {component->display(); // 递归逻辑封装在组件内部
}

3. 轻松添加新元素类型

// 新增符号链接类型
class SymLink : public FileSystemComponent {// 实现组件接口
};// 客户端代码无需修改即可使用
root->add(std::make_shared<SymLink>("快捷方式", target));

4. 递归操作简化

// 递归计算大小封装在组件中
int totalSize = root->getSize(); // 递归逻辑对客户端透明

组合模式的高级应用

1. 访问者模式组合

class FileSystemVisitor {
public:virtual void visitFile(File* file) = 0;virtual void visitDirectory(Directory* dir) = 0;
};class FileSystemComponent {
public:virtual void accept(FileSystemVisitor& visitor) = 0;
};class File : public FileSystemComponent {void accept(FileSystemVisitor& visitor) override {visitor.visitFile(this);}
};class Directory : public FileSystemComponent {void accept(FileSystemVisitor& visitor) override {visitor.visitDirectory(this);for (auto& child : children_) {child->accept(visitor);}}
};// 实现具体访问者
class SizeCalculator : public FileSystemVisitor {int totalSize = 0;void visitFile(File* file) override {totalSize += file->getSize();}void visitDirectory(Directory* dir) override {// 目录本身不增加大小}
};

2. 透明与安全组合模式

透明模式：

// 所有组件都有add/remove方法（叶子抛出异常）
class Component {
public:virtual void add(Component* c) = 0; // 叶子节点也实现
};

安全模式：

// 只有容器有add/remove方法
class Component {// 没有add/remove方法
};class Composite : public Component {void add(Component* c) override; // 容器实现
};

3. 组合模式与享元模式结合

// 共享叶子节点
class FileFactory {static std::shared_ptr<File> getFile(const std::string& name, int size) {static std::map<std::pair<std::string, int>, std::shared_ptr<File>> files;auto key = std::make_pair(name, size);if (!files[key]) {files[key] = std::make_shared<File>(name, size);}return files[key];}
};// 使用共享文件
dir->add(FileFactory::getFile("logo.png", 1024));

组合模式的应用场景

1. GUI框架设计

// 组件基类
class Widget {
public:virtual void render() const = 0;virtual void add(std::shared_ptr<Widget> child) {throw std::runtime_error("不支持添加子组件");}
};// 叶子组件：按钮
class Button : public Widget {void render() const override {std::cout << "渲染按钮: " << text_ << "\n";}
};// 容器组件：面板
class Panel : public Widget {void render() const override {std::cout << "开始渲染面板\n";for (auto& child : children_) {child->render();}std::cout << "结束渲染面板\n";}void add(std::shared_ptr<Widget> child) override {children_.push_back(child);}
};// 使用
auto panel = std::make_shared<Panel>();
panel->add(std::make_shared<Button>("确定"));
panel->add(std::make_shared<Button>("取消"));
panel->render();

2. 组织架构管理

class OrganizationComponent {
public:virtual std::string getName() const = 0;virtual double getCost() const = 0; // 部门成本或员工薪资
};// 员工（叶子）
class Employee : public OrganizationComponent {double getCost() const override { return salary_; }
};// 部门（容器）
class Department : public OrganizationComponent {double getCost() const override {double total = 0;for (auto& member : members_) {total += member->getCost();}return total + operationalCost_;}
};

3. 游戏场景图

class SceneNode {
public:virtual void update(float deltaTime) = 0;virtual void render() const = 0;
};// 游戏对象（叶子）
class GameObject : public SceneNode {void update(float deltaTime) override {// 更新位置、状态等}void render() const override {// 渲染对象}
};// 场景组（容器）
class SceneGroup : public SceneNode {void update(float deltaTime) override {for (auto& child : children_) {child->update(deltaTime);}}void render() const override {for (auto& child : children_) {child->render();}}
};

组合模式的五大优势

  1. 统一接口处理简单和复杂元素

    // 统一操作接口
void backup(FileSystemComponent* item) {BackupSystem::save(item->getName(), item->getContent());if (auto dir = dynamic_cast<Directory*>(item)) {for (int i = 0; i < dir->childCount(); i++) {backup(dir->getChild(i));}}
}

  2. 简化客户端代码

    // 客户端无需关心具体类型
void printItem(FileSystemComponent* item) {item->display(); // 文件或目录都能处理
}

  3. 易于扩展新组件类型

    // 新增压缩文件类型
class CompressedFile : public FileSystemComponent {// 实现组件接口
};// 现有代码无需修改
root->add(std::make_shared<CompressedFile>("archive.zip"));

  4. 递归操作简化

    // 递归计算大小
int totalSize = root->getSize(); // 单行代码完成递归计算

  5. 层次结构管理灵活

    // 动态重组结构
dir->remove(file);
anotherDir->add(file);

组合模式的最佳实践

1. 合理设计组件接口

class Component {
public:// 通用操作virtual void operation() = 0;// 子组件管理（为叶子提供默认空实现）virtual void add(Component* c) {}virtual void remove(Component* c) {}virtual Component* getChild(int) { return nullptr; }// 可选操作virtual bool isComposite() const { return false; }
};

2. 使用智能指针管理内存

class Directory : public FileSystemComponent {
private:std::vector<std::shared_ptr<FileSystemComponent>> children_;
};// 使用
auto root = std::make_shared<Directory>("root");
root->add(std::make_shared<File>("file.txt", 100));

3. 实现空对象模式

class NullComponent : public FileSystemComponent {std::string getName() const override { return "Null"; }int getSize() const override { return 0; }void display(int) const override {}
};// 使用
auto child = dir->getChild(10);
if (dynamic_cast<NullComponent*>(child.get())) {// 处理空对象情况
}

4. 优化容器性能

class OptimizedDirectory : public Directory {
public:int getSize() const override {if (sizeCacheDirty_) {sizeCache_ = Directory::getSize();sizeCacheDirty_ = false;}return sizeCache_;}void add(std::shared_ptr<FileSystemComponent> c) override {Directory::add(c);sizeCacheDirty_ = true;}// 类似实现remove等方法
};

组合模式与其他模式的关系

模式关系区别
装饰器模式都使用递归组合装饰器添加职责，组合构建树结构
访问者模式常用组合遍历访问者分离操作与结构
迭代器模式组合需要迭代器迭代器遍历组合结构
享元模式可共享叶子节点享元节省内存，组合管理结构

组合使用示例：

// 组合模式 + 访问者模式
class FileSystemComponent {
public:virtual void accept(FileSystemVisitor& visitor) = 0;
};class FileSystemVisitor {
public:virtual void visitFile(File* file) = 0;virtual void visitDirectory(Directory* dir) = 0;
};class File : public FileSystemComponent {void accept(FileSystemVisitor& visitor) override {visitor.visitFile(this);}
};class Directory : public FileSystemComponent {void accept(FileSystemVisitor& visitor) override {visitor.visitDirectory(this);for (auto& child : children_) {child->accept(visitor);}}
};

应用案例

1. XML/HTML文档处理

class XMLNode {
public:virtual void render(int indent = 0) const = 0;
};class XMLElement : public XMLNode {void render(int indent = 0) const override {std::cout << std::string(indent, ' ') << "<" << tagName_ << ">\n";for (auto& child : children_) {child->render(indent + 2);}std::cout << std::string(indent, ' ') << "</" << tagName_ << ">\n";}
};class XMLTextNode : public XMLNode {void render(int indent = 0) const override {std::cout << std::string(indent, ' ') << text_ << "\n";}
};// 构建文档
auto root = std::make_shared<XMLElement>("html");
auto body = std::make_shared<XMLElement>("body");
root->add(body);
body->add(std::make_shared<XMLElement>("h1")->addText("标题"));
body->add(std::make_shared<XMLElement>("p")->addText("段落内容"));
root->render();

2. 数学表达式处理

class Expression {
public:virtual double evaluate() const = 0;
};class Number : public Expression {double evaluate() const override { return value_; }
};class BinaryOperation : public Expression {double evaluate() const override {double left = left_->evaluate();double right = right_->evaluate();switch (op_) {case '+': return left + right;case '-': return left - right;case '*': return left * right;case '/': return left / right;default: throw std::runtime_error("未知操作符");}}
};// 构建表达式树: (2 + 3) * 4
auto expr = std::make_shared<BinaryOperation>('*',std::make_shared<BinaryOperation>('+', std::make_shared<Number>(2), std::make_shared<Number>(3)),std::make_shared<Number>(4)
);std::cout << "结果: " << expr->evaluate() << "\n"; // 输出 20

3. 自动化测试框架

class TestComponent {
public:virtual void run() = 0;
};class TestCase : public TestComponent {void run() override {// 执行单个测试用例}
};class TestSuite : public TestComponent {void run() override {// 运行所有测试用例for (auto& test : tests_) {test->run();}}
};// 构建测试套件
auto regressionSuite = std::make_shared<TestSuite>();
regressionSuite->add(std::make_shared<TestCase>("登录测试"));
regressionSuite->add(std::make_shared<TestCase>("支付测试"));auto smokeSuite = std::make_shared<TestSuite>();
smokeSuite->add(std::make_shared<TestCase>("主页加载测试"));
smokeSuite->add(regressionSuite);// 运行所有测试
smokeSuite->run();

组合模式的挑战与解决方案

挑战解决方案
过度通用化接口为叶子节点提供默认空实现
性能问题添加缓存机制优化计算
类型检查问题使用访问者模式替代类型检查
循环引用使用弱引用或禁止父引用

循环引用解决方案：

class Directory : public FileSystemComponent {
public:void setParent(std::weak_ptr<Directory> parent) {parent_ = parent;}std::shared_ptr<Directory> getParent() const {return parent_.lock();}private:std::weak_ptr<Directory> parent_; // 使用弱引用避免循环
};

总结

组合模式通过统一接口管理树形结构，提供了强大的层次管理能力：

  1. 统一接口：一致处理简单元素和复杂结构

  2. 递归简化：复杂递归操作封装在组件内部

  3. 灵活扩展：轻松添加新元素类型

  4. 结构清晰：自然表示部分-整体层次关系

  5. 代码复用：共享树结构操作逻辑

使用时机：

  • 需要表示对象的整体-部分层次结构

  • 希望客户端忽略组合与单个对象的不同

  • 需要统一处理简单元素和复杂结构

  • 系统需要灵活地添加新组件类型

"组合模式不是简单地存储对象，而是在树形结构中统一管理简单与复杂的艺术。它是面向对象设计中处理层次结构的精妙解决方案。" - 设计模式实践者

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