组合模式

思考并回答以下问题：

• 组合模式使用面向对象的方式来处理树形结构。经常会遇到什么树形结构？
• 组合模式的设计动机是用户在使用时无须对它们进行区分，可以一致地对待容器对象和叶子对象。怎么理解？
• 组合模式为什么是结构型模式？
• 组合模式的关键在于定义了一个抽象构件类，它既可以代表叶子，又可以代表容器，客户端针对该抽象构件类进行编程，无须知道它到底表示的是叶子还是容器，可以对其进行统一处理。怎么理解？
• 组合模式是怎么使用递归的？
• 容器构件维护一个列表。怎么理解？

本章导学

组合模式关注那些包含叶子构件和容器构件的结构以及它们的组织形式，在叶子构件中不包含成员对象，而容器构件中可以包含成员对象，这些对象通过递归组合可构成一个树形结构。组合模式使用面向对象的方式来处理树形结构，它为叶子构件和容器构件提供了一个公共的抽象构件类，客户端可以针对抽象构件进行处理，而无须关心所操作的是叶子构件还是容器构件。

本章将学习组合模式的定义与结构，通过如何处理树形结构来学习组合模式的实现，结合实例学习如何在软件开发中应用组合模式，还将学习透明组合模式和安全组合模式的结构与区别。

本章知识点

• 组合模式的定义
• 组合模式的结构
• 组合模式的实现
• 组合模式的应用
• 组合模式的优缺点
• 组合模式的适用环境
• 透明组合模式与安全组合模式

组合模式概述

树形结构在软件中随处可见，例如操作系统中的目录结构、应用软件中的菜单结构、办公系统中的公司组织结构等。在Windows操作系统中，就存在着图1所示的目录结构。

图1 Windows目录结构

与图1相对应的树形目录结构如图2所示。

图2 树形目录结构示意图

在图2中包含文件（黄色结点，例如“小龙女.jpg”和“九阴真经.txt”）和文件夹（白色结点，例如“我的资料”和“图像文件”）两类不同的元素，其中，在文件夹中可以包含文件，还可以继续包含子文件夹，但是在文件中不能再包含子文件或者子文件夹。在此，可以称文件夹为容器（Container），而不同类型的文件是其成员，又称为叶子（Leaf）。

对于所有与目录结构相类似的树形结构，当容器对象（例如文件夹）的某一个方法被调用时，将遍历整个树形结构，寻找也包含这个方法的成员对象（可以是容器对象，也可以是叶子对象，例如子文件夹和文件）并调用执行，牵一而动百，其中使用了递归调用的机制来对整个结构进行处理。由于容器对象和叶子对象在功能上的区别，在使用这些对象的代码中必须有区别地对待容器对象和叶子对象，而实际上大多数情况下客户端希望一致地处理它们，因为对于这些对象的区别对待将会使程序非常复杂。

组合模式通过一种巧妙的设计方案使得用户可以一致性地处理整个树形结构或者树结构的一部分，它描述了如何将容器对象和叶子对象进行递归组合，使得用户在使用时无须对它们进行区分，可以一致地对待容器对象和叶子对象，这就是组合模式的模式动机。

组合模式的定义如下：

组合多个对象形成树形结构以表示具有部分——整体关系的层次结构。组合模式让客户端可以统一对待单个对象和组合对象。

组合模式又称为“部分-整体”（Part-Whole）模式，属于对象结构型模式，它将对象组织到树形结构中，可以用来描述整体与部分的关系。

组合模式的结构与实现

组合模式的结构

组合模式的结构如图3所示。

图3 组合模式结构图

由图3可知，组合模式包含以下3个角色。

(1)Component（抽象构件）：它可以是接口或抽象类，为叶子构件和容器构件对象声明接口，在该角色中可以包含所有子类共有行为的声明和实现。在抽象构件中定义了访问及管理它的子构件的方法，如增加子构件、删除子构件、获取子构件等。

(2)Leaf（叶子构件）：它在组合结构中表示叶子结点对象，叶子结点没有子结点，它实现了在抽象构件中定义的行为。对于那些访问及管理子构件的方法，可以通过抛出异常、提示错误等方式进行处理。

(3)Composite（容器构件）：它在组合结构中表示容器结点对象，容器结点包含子结点，其子结点可以是叶子结点，也可以是容器结点，它提供一个集合用于存储子结点，实现了在抽象构件中定义的行为，包括那些访问及管理子构件的方法，在其业务方法中可以递归调用其子结点的业务方法。

组合模式的实现

组合模式的关键在于定义了一个抽象构件类，它既可以代表叶子，又可以代表容器，客户端针对该抽象构件类进行编程，无须知道它到底表示的是叶子还是容器，可以对其进行统一处理。同时容器对象与抽象构件类之间还建立了一种聚合关联关系，在容器对象中既可以包含叶子，又可以包含容器，以此实现递归组合，形成一个树形结构。

如果不使用组合模式，客户端代码将过多地依赖于容器对象复杂的内部实现结构，容器对象内部实现结构的变化将引起客户代码的频繁变化，造成代码维护困难、可扩展性差等问题，组合模式的使用将在一定程度上解决这些问题。

下面通过简单的示例代码来分析组合模式的各个角色的用途和实现。

对于组合模式中的抽象构件角色，其典型代码如下：

abstract class Component
{
    public abstract void Add(Component c); // 增加成员
    public abstract void Remove(Component c); // 删除成员
    public abstract Component GetChild(int i); // 获取成员
    public abstract void Operation(); // 业务方法
}

通常将抽象构件类设计为接口或抽象类，将所有子类共有方法的声明和实现放在抽象构件类中。对于客户端而言，将针对抽象构件编程，而无须关心其具体子类是容器构件还是叶子构件。

如果继承抽象构件的是叶子构件，其典型代码如下：

class Leaf : Component
{
    public override void Add(Component c)
    {
        // 异常处理或错误提示
    }

    public override void Remove(Component c)
    {
        // 异常处理或错误提示
    }

    public override Component GetChild(int i)
    {
        // 异常处理或错误提示
        return null;
    }

    public override void Operation()
    {
        // 叶子构件具体业务方法的实现
    }
}

作为抽象构件类的子类，在叶子构件中需要实现在抽象构件类中声明的所有方法，包括业务方法以及管理和访问子构件的方法，但是叶子构件不能再包含子构件，因此在叶子构件中实现子构件管理和访问方法时需要提供异常处理或错误提示。显然，这会给叶子构件的实现带来麻烦。

如果继承抽象构件的是容器构件，其典型代码如下：

using System;
using System.Collections.Generic;

class Composite : Component
{
    private List<Component> list = new List<Component>();

    public override void Add(Component c)
    {
        list.Add(c);
    }

    public override void Remove(Component c)
    {
        list.Remove(c);
    }

    public override Component GetChild(int i)
    {
        return (Component)list[i];
    }

    public override void Operation()
    {
        foreach(Object obj in list)
        {   
            // 容器构件具体业务方法的实现，将递归调用成员构件的业务方法
            ((Component)obj).Operation();
        }
    }
}

在容器构件中实现了在抽象构件中声明的所有方法，既包括业务方法，也包括用于访问和管理成员子构件的方法，如Add()、Remove()和GetChild()等方法。需要注意的是，在实现具体业务方法时，由于容器构件充当的是容器角色，包含成员构件，因此它将调用其成员构件的业务方法。在组合模式结构中，由于容器构件中仍然可以包含容器构件，因此在对容器构件进行处理时需要使用递归算法，即在容器构件的Operation()方法中递归调用其成员构件的Operation()方法。

组合模式的应用实例

下面通过一个应用实例来进一步学习和理解组合模式。

1.实例说明

某软件公司要开发一个杀毒（AntiVirus）软件，该软件既可以对某个文件夹（Folder）杀毒，也可以对某个指定的文件（File）进行杀毒。

该杀毒软件还可以根据各类文件的特点，为不同类型的文件提供不同的杀毒方式，例如图像文件（ImageFile）和文本文件（TextFile）的杀毒方式就有所差异。现使用组合模式来设计该杀毒软件的整体框架。

2.实例类图

通过分析，本实例的结构如图4所示。

图4 杀毒软件框架设计结构图

在图4中，AbstractFile充当抽象构件类，Folder充当容器构件类，ImageFile、TextFile和VideoFile充当叶子构件类。

3.实例代码

(1)AbstractFile：抽象文件类，充当抽象构件类。

namespace CompositeSample
{
    abstract class AbstractFile
    {
        public abstract void Add(AbstractFile file);
        public abstract void Remove(AbstractFile file);
        public abstract AbstractFile GetChild(int i);
        public abstract void KillVirus();
    }
}

(2)ImageFile：图像文件类，充当叶子构件类。

using System;

namespace CompositeSample
{
    class ImageFile : AbstractFile 
    {
        private string name;
    
        public ImageFile(string name) 
        {
            this.name = name;
        }
    
        public override void Add(AbstractFile file) 
        {
            Console.WriteLine("对不起，不支持该方法！");
        }

        public override void Remove(AbstractFile file) 
        {
            Console.WriteLine("对不起，不支持该方法！");
        }

        public override AbstractFile GetChild(int i) 
        {
            Console.WriteLine("对不起，不支持该方法！");
            return null;
        }
    
        public override void KillVirus() 
        {
            // 模拟杀毒
            Console.WriteLine("----对图像文件'{0}'进行杀毒",name);
        }
    }
}

(3)TextFile：文本文件类，充当叶子构件类。

using System;

namespace CompositeSample
{
    class TextFile : AbstractFile
    {
        private string name;

        public TextFile(string name)
        {
            this.name = name;
        }

        public override void Add(AbstractFile file)
        {
            Console.WriteLine("对不起，不支持该方法！");
        }

        public override void Remove(AbstractFile file)
        {
            Console.WriteLine("对不起，不支持该方法！");
        }

        public override AbstractFile GetChild(int i)
        {
            Console.WriteLine("对不起，不支持该方法！");
            return null;
        }

        public override void KillVirus()
        {
            // 模拟杀毒
            Console.WriteLine("----对文本文件'{0}'进行杀毒",name);
        }
    }
}

(4)VideoFile：视频文件类，充当叶子构件类。

using System;

namespace CompositeSample
{
    class VideoFile : AbstractFile
    {
        private string name;

        public VideoFile(string name)
        {
            this.name = name;
        }

        public override void Add(AbstractFile file)
        {
            Console.WriteLine("对不起，不支持该方法！");
        }

        public override void Remove(AbstractFile file)
        {
            Console.WriteLine("对不起，不支持该方法！");
        }

        public override AbstractFile GetChild(int i)
        {
            Console.WriteLine("对不起，不支持该方法！");
            return null;
        }

        public override void KillVirus()
        {
            // 模拟杀毒
            Console.WriteLine("----对视频文件'{0}'进行杀毒",name);
        }
    }
}

(5)Folder：文件夹类，充当容器构件类。

using System;
using System.Collections.Generic;

namespace CompositeSample
{
    class Folder : AbstractFile 
    {
        // 定义集合fileList，用于存储AbstractFile类型的成员
        private List<AbstractFile> fileList = new List<AbstractFile>();

        private string name;
        
        public Folder(string name) 
        {
            this.name = name;
        }

        public override void Add(AbstractFile file)
        {
           fileList.Add(file);  
        }

        public override void Remove(AbstractFile file)
        {
            fileList.Remove(file);
        }

        public override AbstractFile GetChild(int i)
        {
            return (AbstractFile)fileList[i];
        }
    
        public override void KillVirus() 
        {
            Console.WriteLine("****对文件夹'{0}'进行杀毒",name);  // 模拟杀毒
        
            // 递归调用成员构件的killVirus()方法
            foreach(Object obj in fileList) 
            {
                ((AbstractFile)obj).KillVirus();
            }
        }
    }
}

(6)Program：客户端测试类。

using System;
using System.Collections.Generic;

namespace CompositeSample
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // 针对抽象构件编程
            AbstractFile file1, file2, file3, file4, file5, folder1, folder2, folder3, folder4;

            folder1 = new Folder("我的资料");
            folder2 = new Folder("图像文件");
            folder3 = new Folder("文本文件");
            folder4 = new Folder("视频文件");

            file1 = new ImageFile("小龙女.jpg");
            file2 = new ImageFile("张无忌.gif");
            file3 = new TextFile("九阴真经.txt");
            file4 = new TextFile("葵花宝典.doc");
            file5 = new VideoFile("神雕侠侣.rmvb");

            folder2.Add(file1);
            folder2.Add(file2);
            folder3.Add(file3);
            folder3.Add(file4);
            folder4.Add(file5);
            folder1.Add(folder2);
            folder1.Add(folder3);
            folder1.Add(folder4);

            // 从“我的资料”节点开始进行杀毒操作
            folder1.KillVirus();
            Console.Read();
        }
    }
}

4.结果及分析

编译并运行程序，输出结构如下：

****对文件夹'我的资料'进行杀毒
****对文件夹'图像文件'进行杀毒
----对图像文件'小龙女.jpg'进行杀毒
----对图像文件'张无忌.gif'进行杀毒
****对文件夹'文本文件'进行杀毒
----对文本文件'九阴真经.txt'进行杀毒
----对文本文件'葵花宝典.doc'进行杀毒
****对文件夹'视频文件'进行杀毒
----对视频文件'神雕侠侣.rmvb'进行杀毒

在本实例中，抽象构件类声明了所有方法，包括用于管理和访问子构件的方法，如Add()方法和Remove()方法等，因此，在ImageFile等叶子构件类中实现这些方法时必须进行相应的异常处理或错误提示。在容器构件类Folder的KillVirus()方法中将递归调用其成员对象的KillVirus()方法，从而实现对整个树形结构的遍历。

如果需要更换操作结点，例如只对文件夹“文本文件”进行杀毒，客户端代码只需修改一行即可，将代码：

folder1.KillVirus();

改为：

folder3.KillVirus();

输出结果如下：

****对文件夹'文本文件'进行杀毒 
----对文本文件'九阴真经.txt'进行杀毒 
----对文本文件'葵花宝典.doc'进行杀毒

在具体实现时，可以创建图形化界面让用户来选择所需操作的根结点，无须修改源代码，符合开闭原则，客户端无须关心结点的层次结构，可以对所选结点进行统一处理，从而提高系统的灵活性。

透明组合模式与安全组合模式

组合模式根据抽象构件类的定义形式不同，可以分为透明组合模式和安全组合模式。

1.透明组合模式

在透明组合模式中，抽象构件Component中声明了所有用于管理成员对象的方法，包括Add()、Remove()、以及GetChild()等方法，如图5所示，这样做的好处是确保了所有的构件类都有相同的接口。在客户端看来，叶子对象与容器对象所提供的方法是一致的，客户端可以一致地对待所有的对象。

图5 透明组合模式结构图

透明组合模式的缺点是不够安全，因为叶子对象和容器对象在本质上是有区别的。叶子对象不可能有下一个层次的对象，即不可能包含成员对象，因此为其提供Add()、Remove()及GetChild()等方法是没有意义的，这在编译阶段不会出错，但在运行阶段如果调用这些方法可能会出错（如果没有提供相应的错误处理代码）。

2.安全组合模式

在安全组合模式中，抽象构件Component中没有声明任何用于管理成员对象的方法，而是在Composite类中声明并实现这些方法，如图6所示。这样做是安全的，因为根本向叶子对象提供这些管理成员对象的方法，对于叶子对象，客户端不可能调用到这些方法。

图6 安全组合模式结构图

安全组合模式的缺点是不够透明，因为叶子构件和容器构件具有不同的方法，容器构件中用于管理成员对象的方法没有在抽象构件类中定义，因此客户端不能完全针对抽象编程，必须有区别地对待叶子构件和容器构件。在实际应用中，安全组合模式的使用频率也非常高。

组合模式的优缺点与适用环境

组合模式使用面向对象的思想来实现树形结构的构建与处理，描述了如何将容器对象和叶子对象进行递归组合，实现简单，灵活性好。由于在软件开发中存在大量的树形结构，因此组合模式是一种使用频率较高的结构型设计模式。

组合模式的优点

组合模式的主要优点如下：

• (1)组合模式可以清楚地定义分层次的复杂对象，表示对象的全部或部分层次，让客户端忽略了层次的差异，方便对整个层次结构进行控制。
• (2)客户端可以一致地使用一个组合结构或其中单个对象，不必关心处理的是单个对象还是整个组合结构，简化了客户端代码。
• (3)在组合模式中增加新的容器构件和叶子构件都很方便，无须对现有类库进行任何修改，符合开闭原则。
• (4)为树形结构的面向对象实现提供了一种灵活的解决方案，通过叶子对象和容器对象的递归组合，可以形成复杂的树形结构，但对树形结构的控制却非常简单。

组合模式的缺点

组合模式的主要缺点如下：

在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。有时希望一个容器中只能有某些特定类型的对象，例如在某个文件夹中只能包含文本文件，使用组合模式时，不能依赖类型系统来施加这些约束，因为它们都来自于相同的抽象层，在这种情况下，必须通过在运行时进行类型检查来实现，这个实现过程较为复杂。

组合模式的适用环境

在以下情况下可以考虑使用组合模式：

• (1)在具有整体和部分的层次结构中，希望通过一种方式忽略整体与部分的差异，客户端可以一致地对待它们。
• (2)在一个使用面向对象语言开发的系统中需要处理一个树形结构。
• (3)在一个系统中能够分离出叶子对象和容器对象，而且它们的类型不固定，需要增加一些新的类型。

本章小结

(1)组合模式用于组合多个对象形成树形结构以表示具有部分整体关系的层次结构。组合模式让客户端可以统一对待单个对象和组合对象。组合模式又可以称为“部分整体”模式，是一种对象结构型模式。

(2)组合模式包含抽象构件、叶子构件和容器构件3个角色。其中，抽象构件为叶子构件和容器构件对象声明接口，在该角色中可以包含所有子类共有行为的声明和实现；叶子构件在组合结构中表示叶子结点对象，叶子结点没有子结点；容器构件在组合结构中表示容器结点对象，容器结点包含子结点，其子结点可以是叶子结点，也可以是容器结点，它提供一个集合用于存储子结点，实现了在抽象构件中定义的行为。

(3)组合模式的主要优点在于可以清楚地定义分层次的复杂对象，表示对象的全部或部分层次，它让客户端忽略了层次的差异，方便对整个层次结构进行控制；客户端可以一致地使用一个组合结构或其中单个对象，不必关心处理的是单个对象还是整个组合结构，简化了客户端代码;增加新的容器构件和叶子构件都很方便。其主要缺点是在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。

(4)组合模式适用的环境：在具有整体和部分的层次结构中，希望通过一种方式忽略整体与部分的差异，客户端可以一致地对待它们；在一个使用面向对象语言开发的系统中需要处理一个树形结构；在一个系统中能够分离出叶子对象和容器对象，而且它们的类型不固定，需要增加一些新的类型。

(5)根据抽象构件类的定义形式不同，组合模式可以分为透明组合模式和安全组合模式。