【设计模式】组合模式

1、定义

1.1 标准定义

　　组合模式(Composite Pattern)也叫合成模式，有时又叫做部分-整体模式（ Part-Whole），主要是用来描述部分与整体的关系，其定义如下：
　　Compose objects into tree structures to represent part-whole hierarchies.Composite lets clients treat individual objects and compositions of objects uniformly.（将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。）

1.2 通用类图

　　● Component抽象构件角色
　　定义参加组合对象的共有方法和属性，可以定义一些默认的行为或属性，比如我们例子中的getInfo就封装到了抽象类中。

　　● Leaf叶子构件
　　叶子对象，其下再也没有其他的分支， 也就是遍历的最小单位。

　　● Composite树枝构件
　　树枝对象，它的作用是组合树枝节点和叶子节点形成一个树形结构。

2、实现

2.1 类图

　　在Component中声明所有用来管理子对象的方法，其中包括Add、Remove等，这样实现Component接口的所有子类都具备了Add和Remove。这样做的好处就是叶节点和枝节点对于外界没有区别，它们具备 完全一致的行为 接口。但问题也很明显，因为Leaf类本身不具备Add()、Remove()方法的 功能，所以实现它是没有意义的。

　　抽象基类:
　　1)Component:为组合中的对象声明接口，声明了类共有接口的缺省行为(如这里的Add,Remove,GetChild函数)，声明一个接口函数可以访问Component的子组件.

　　接口函数:
　　1)、Component::Operatation:定义了各个组件共有的行为接口，由各个组件的具体实现.
　　2)、Component::Add添加一个子组件
　　3)、Component::Remove::删除一个子组件.
　　4)、Component::GetChild:获得子组件的指针.

　　说明:
　　Component模式是为解决组件之间的递归组合提供了解决的办法，它主要分为两个派生类：

　　1)、Leaf是叶子结点,也就是不含有子组件的结点

　　2)、Composite是含有子组件的类

2.2 代码

2.2.2 组合对象

// Composite.h

#ifndef _COMPOSITE_H_
#define _COMPOSITE_H_

#include <vector>

using namespace std;

/*
Component抽象基类，为组合中的对象声明接口,声明了类共有接口的缺省行为(如这里的Add,Remove,GetChild函数),
声明一个接口函数可以访问Component的子组件.
*/
class Component
{
public:
    //纯虚函数，只提供接口，没有默认的实现
    virtual void Operation()=0;    

    // 虚函数,提供接口,有默认的实现就是什么都不做
    virtual void Add(Component*);
    virtual void Remove(Component*);
    virtual Component* GetChild(int index);
    virtual ~Component();
protected:
    Component();
};

//Leaf是叶子结点,也就是不含有子组件的结点类，所以不用实现Add、Remove、GetChild等方法
class Leaf:public Component
{
public:
    //只实现Operation接口
    virtual void Operation();            
    Leaf();
    ~Leaf();
};

//Composite：含有子组件的类
class Composite:public Component
{
public:
    Composite();
    ~Composite();
    //实现所有接口
    void Operation();
    void Add(Component*);
    void Remove(Component*);
    Component* GetChild(int index);
private:
    //这里采用vector来保存子组件
    vector<Component*> m_ComVec;        
};

#endif

// Compostie.cpp

#include "Composite.h"
#include <iostream>

using namespace std;

Component::Component(){}

Component::~Component(){}

void Component::Add(Component* com)
{
    cout << "add" << endl;
}

void Component::Remove(Component* com){}

void Component::Operation()
{
    cout << "Component::Operation" << endl;
}

Component* Component::GetChild(int index)
{
    return NULL;
}

Leaf::Leaf(){}

Leaf::~Leaf(){}

void Leaf::Operation()
{
    cout<< "Leaf::Operation" <<endl;
}

Composite::Composite(){}

Composite::~Composite(){}

void Composite::Add(Component* com)
{
    this->m_ComVec.push_back(com);
}

void Composite::Remove(Component* com)
{
    this->m_ComVec.erase(&com);
}

void Composite::Operation()
{
    cout << "Composite::Operation" << endl;
    vector<Component*>::iterator iter = this->m_ComVec.begin();
    for(;iter!= this->m_ComVec.end();iter++)
    {
        (*iter)->Operation();
    }
}

Component* Composite::GetChild(int index)
{
    if(index < 0 || index > this->m_ComVec.size())
    {
        return NULL;
    }
    return this->m_ComVec[index];
}

2.2.2 调用

// main.cpp

#include "Composite.h"
#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
    /*
      不管是叶子Leaf还是Composite对象pRoot、pCom都实现了Operation接口，所以可以一致对待，直接调用Operation()
      体现了“使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。”
    */
    Composite* pRoot = new Composite();

    //组合对象添加叶子节点
    pRoot->Add(new Leaf());

    Leaf* pLeaf1 = new Leaf();
    Leaf* pLeaf2 = new Leaf();

    //这里的叶子再添加叶子是没有意义的。
    //由于叶子与组合对象继承了相同的接口，所以语法上是对的，实际上什么也没做(继承自基类Component的Add方法)。
    //叶子节点只实现了Operation方法，其他Add、Remove、GetChild都继承自基类，没有实际意义。
    pLeaf1->Add(pLeaf2);
    pLeaf1->Remove(pLeaf2);
    //执行叶子Operation操作
    pLeaf1->Operation();

    //组合对象实现了基类Component的所有接口，所以可以做各种操作(Add、Remove、GetChild、Operation)。
    Composite* pCom = new Composite();
    //组合对象添加叶子节点
    pCom->Add(pLeaf1);
    //组合对象添加叶子节点
    pCom->Add(pLeaf2);
    //执行组合对象Operation操作
    pCom->Operation();

    //组合对象添加组合对象
    pRoot->Add(pCom);

    //执行组合对象Operation操作
    pRoot->Operation();

    return 0;
}

3、DP书的实现

3.1 类图

　　一个集团公司，它有一个母公司，下设很多家子公司。不管是母公司还是子公司，都有各自直属的财务部、人力资源部、销售部等。对于母公司来说，不论是子公司，还是直属的财务部、人力资源部，都是它的部门。整个公司的部门拓扑图就是一个树形结构。

　　从图中可以看到，FinanceDepartment、HRDepartment两个类作为叶结点，因此没有定义添加函数。而ConcreteCompany类可以作为中间结点，所以可以有添加函数。那么怎么添加呢？这个类中定义了一个链表，用来放添加的元素。

3.2 实现

3.2.1 公司代码

class Company  
{
public:
    Company(string name) { m_name = name; }
    virtual ~Company(){}
    virtual void Add(Company *pCom){}
    virtual void Show(int depth) {}
protected:
    string m_name;
};

//具体公司
class ConcreteCompany : public Company  
{
public:
    ConcreteCompany(string name): Company(name) {}
    virtual ~ConcreteCompany() {}
    void Add(Company *pCom) { m_listCompany.push_back(pCom); } //位于树的中间，可以增加子树
    void Show(int depth)
    {
        for(int i = 0;i < depth; i++)
            cout<<"-";
        cout<<m_name<<endl;
        list<Company *>::iterator iter=m_listCompany.begin();
        for(; iter != m_listCompany.end(); iter++) //显示下层结点
            (*iter)->Show(depth + 2);
    }
private:
    list<Company *> m_listCompany;
};

//具体的部门，财务部
class FinanceDepartment : public Company 
{
public:
    FinanceDepartment(string name):Company(name){}
    virtual ~FinanceDepartment() {}
    virtual void Show(int depth) //只需显示，无限添加函数，因为已是叶结点
    {
        for(int i = 0; i < depth; i++)
            cout<<"-";
        cout<<m_name<<endl;
    }
};

//具体的部门，人力资源部
class HRDepartment :public Company  
{
public:
    HRDepartment(string name):Company(name){}
    virtual ~HRDepartment() {}
    virtual void Show(int depth) //只需显示，无限添加函数，因为已是叶结点
    {
        for(int i = 0; i < depth; i++)
            cout<<"-";
        cout<<m_name<<endl;
    }
};

3.2.2 调用

int main()
{
    Company *root = new ConcreteCompany("总公司");
    Company *leaf1=new FinanceDepartment("财务部");
    Company *leaf2=new HRDepartment("人力资源部");
    root->Add(leaf1);
    root->Add(leaf2);

    //分公司A
    Company *mid1 = new ConcreteCompany("分公司A");
    Company *leaf3=new FinanceDepartment("财务部");
    Company *leaf4=new HRDepartment("人力资源部");
    mid1->Add(leaf3);
    mid1->Add(leaf4);
    root->Add(mid1);
    //分公司B
    Company *mid2=new ConcreteCompany("分公司B");
    FinanceDepartment *leaf5=new FinanceDepartment("财务部");
    HRDepartment *leaf6=new HRDepartment("人力资源部");
    mid2->Add(leaf5);
    mid2->Add(leaf6);
    root->Add(mid2);
    root->Show(0);

    delete leaf1; delete leaf2;
    delete leaf3; delete leaf4;
    delete leaf5; delete leaf6;    
    delete mid1; delete mid2;
    delete root;

    return 0;
}

3.2.3 总结

　　上面的实现方式有缺点，就是内存的释放不好，需要客户自己动手，非常不方便。有待改进，比较好的做法是让ConcreteCompany类来释放。因为所有的指针都是存在ConcreteCompany类的链表中。C++的麻烦，没有垃圾回收机制。

4、总结

4.1 优点

　　● 高层模块调用简单
　　一棵树形机构中的所有节点都是Component， 局部和整体对调用者来说没有任何区别，也就是说， 高层模块不必关心自己处理的是单个对象还是整个组合结构，简化了高层模块的代码。

　　● 节点自由增加
　　使用了组合模式后，我们可以看看，如果想增加一个树枝节点、树叶节点是不是都很容易，只要找到它的父节点就成，非常容易扩展，符合开闭原则，对以后的维护非常有利。

4.2 缺点

　　组合模式有一个非常明显的缺点，看到我们在场景类中的定义，提到树叶和树枝使用时的定义了吗？ 直接使用了实现类！ 这在面向接口编程上是很不恰当的，与依赖倒置原则冲突，读者在使用的时候要考虑清楚，它限制了你接口的影响范围。

4.3 适用场景

　　当你发现需求中是体现部分与整体层次的结构时，以及你希望用户可以忽略组合对象与单个对象的不同，统一地使用组合结构中的所有对象时，就应该考虑用组合模式了,如树形菜单、 文件和文件夹管理。

　　基本对象可以被组合成更复杂的组合对象，而这个组合对象又可以被组合，这样不断地递归下去，客户代码中，任何用到基本对象的地方都可以使用组合对象了。

　　用户不用关心到底是处理一个叶节点还是处理一个组合组件，也就用不着为定义组合二写一些选择判断语句，让客户可以一致地使用组合结构和单个对象。