.Net中的设计模式——Composite模式
一、模式概述
描述Composite模式的最佳方式莫过于树形图。从抽象类或接口为根节点开始，然后生枝发芽，以形成树枝节点和叶结点。因此，Composite模式通常用来描述部分与整体之间的关系，而通过根节点对该结构的抽象，使得客户端可以将单元素节点与复合元素节点作为相同的对象来看待。
由于Composite模式模糊了单元素和复合元素的区别，就使得我们为这些元素提供相关的操作时，可以有一个统一的接口。例如，我们要编写一个字处理软件，该软件能够处理文字，对文章进行排版、预览、打印等功能。那么，这个工具需要处理的对象，就应该包括单个的文字、以及由文字组成的段落，乃至整篇文档。这些对象从软件处理的角度来看，对外的接口应该是一致的，例如改变文字的字体，改变文字的位置使其居中或者右对齐，也可以显示对象的内容，或者打印。而从内部实现来看，我们对段落或者文档进行操作，实质上也是对文字进行操作。从结构来看，段落包含了文字，文档又包含了段落，是一个典型的树形结构。而其根节点正是我们可以抽象出来暴露在外的统一接口，例如接口IElement：
既然文字、段落、文档都具有这些操作，因此它们都可以实现IElement接口：
从上图可以看到，对象Word、Paragraph、Document均实现了IElement接口，但Paragraph和Document与Word对象不同的是，这两者处除了实现了IElement接口，它们还与IElement接口对象之间具有聚合的关系，且是一对多。也就是说Paragraph与Document对象内可以包含0个到多个IElement对象，这也是与前面对字处理软件分析获得的结果是一致的。
从整个结构来看，完全符合树形结构的各个要素，接口IElement是根节点，而Paragraph和Document类为枝节点，Word对象为叶节点。既然作为枝节点，它就具有带叶节点的能力，从上图的聚合关系中我们体现出了这一点。也就是说，Paragraph和Document类除了具有排版、打印方面的职责外，还能够添加、删除叶节点的操作。那么这些操作应该放在哪里呢？
管理对子节点的管理，Composite模式提供了两种方式：一个是透明方式，也就是说在根节点中声明所有用来管理子元素的方法，包括Add()、Remove()等方法。这样一来，实现根节点接口的子节点同时也具备了管理子元素的能力。这种实现策略，最大的好处就是完全消除了叶节点和枝节点对象在抽象层次的区别，它们具备完全一致的接口。而缺点则是不够安全。由于叶节点本身不具备管理子元素的能力，因此提供的Add()、Remove()方法在实现层次是无意义的。但客户端调用时，却看不到这一点，从而导致在运行期间有出错的可能。
另一种策略则是安全方式。与透明方式刚好相反，它只在枝节点对象里声明管理子元素的方法，由于叶节点不具备这些方法，当客户端在操作叶节点时，就不会出现前一种方式的安全错误。然而，这种实现方式，却导致了叶节点和枝节点接口的不完全一致，这给客户端操作时带来了不便。
这两种方式各有优缺点，我们在实现时，应根据具体的情况，作出更加合理的抉择。在字处理软件一例中，我选择了安全方式来实现，因为对于客户端而言，在调用IElement接口时，通常是将其视为可被排版、打印等操作的对象。至于为Paragraph和Document对象添加、删除子对象，往往是一种初始化的行为，完全可以放到一个单独的模块中。根据单一职责原则（SRP），我们没有必要让IElement接口负累太重。所以，我们需要对上图作稍许的修改，在Paragraph和Document对象中增加Add()和Remove()方法：
以下是IElement对象结构的实现代码：
public interface IElement
{
void ChangeFont(Font font);
void Show();
//其他方法略;
}
public class Word
{
public void ChangeFont(Font font)
{
this.font = font;
}
public void Show()
{
Console.WriteLine(this.ToString());
}
//其他方法略;
}
public class Paragraph
{
private ArrayList elements = new ArrayList();
public void Add(IElement element)
{
elements.Add(element);
}
public void Remove(IElement element)
{
elements.Remove(element);
}
public void ChangeFont(Font font)
{
foreach (IElement element in elements)
{
element.ChangeFont(font);
}
}
public void Show()
{
foreach (IElement element in elements)
{
element.Show(font);
}
}
//其他方法略;
}
//Document类略；
实际上，我们在为叶节点实现Add()，Remove()方法时，还需要考虑一些异常情况。例如在Paragraph类中，添加的子元素就不能是Document对象和Paragraph对象。所以在添加IElement对象时，还需要做一些条件判断，以确定添加行为是否正确，如果错误，应抛出异常。
采用Composite模式，我们将Word、Paragraph、Document抽象为IElement接口。虽然各自内部的实现并不相同，枝节点和叶节点的实质也不一样，但对于调用者而言，是没有区别的。例如在类WordProcessor中，包含一个GetSelectedElement()静态方法，它能够获得当前选择的对象：
public class WordProcessor
{
public static IElement GetSelectedElement(){……}
}
对于字处理软件的UI来说，如果要改变选中对象的字体，则可以在命令按钮cmdChangeFont的Click事件中写下如下代码：
public void cmdChangeFont_Click(object sender, EventArgs e)
{
WordProcessor.GetSelectedElement().ChangeFont(currentFont);
}
不管当前选中的对象是文字、段落还是整篇文档，对于UI而言，操作都是完全一致的，根本不需要去判断对象的类别。因此，如果在Business Layer的类库设计时，采用Composite模式，将极大地简化UI表示层的开发工作。此外，应用该模式也较好的支持项目的可扩展性。例如，我们为IElement接口增加了Sentence类，对于前面的例子而言，只需要修改GetSelectedElement()方法，而cmdChangeFont命令按钮的Click事件以及Business Layer类库原有的设计，都不需要做任何改变。这也符合OO的开放-封闭原则（OCP），即对于扩展是开放的(Open for extension)，对于更改则是封闭的（Closed for modification）。
二、.Net Framework中的Composite模式
在.Net中，最能体现Composite模式的莫过于Windows或Web的控件。在这些控件中，有的包含子控件，有的则不包含且不能包含子控件，这正好符合叶节点和枝节点的含义。所有Web控件的基类为System.Web.UI.Contril类（如果是Windows控件，则基类为System.Windows.Forms.Control类）。其子类包含有HtmlControl、HtmlContainerControl等。按照Composite模式的结构，枝节点和叶节点属于根节点的不同分支，同时枝节点与根节点之间应具备一个聚合关系，可以通过Add()、Remove()方法添加和移除其子节点。设定HtmlControl为叶节点，而HtmlContaiinerControl为枝节点，那么采用透明方式的设计方法，在.Net中控件类的结构，就应该如下图所示：
虽然根据透明方式的Composite模式，HtmlControl类与其父类Control之间也应具备一个聚合关系，但实质上该类并不具备管理子控件的职责，因此我在类图中忽略了这个关系。此时，HtmlControl类中的Add()、Remove()方法，应该为空，或者抛出一个客户端能够捕获的异常。
然而，从具体实现来考虑，由于HtmlControl类和HtmlContainerControl类在实现细节层次，区别仅在于前者不支持子控件，但从控件本身的功能来看，很多行为是相同或者相近的。例如HtmlControl类的Render()方法，调用了方法RenderBeginTag()方法：
protected override void Render(HtmlTextWriter writer)
{
this.RenderBeginTag(writer);
}
protected virtual void RenderBeginTag(HtmlTextWriter writer)
{
writer.WriteBeginTag(this.TagName);
this.RenderAttributes(writer);
writer.Write('>');
}
而HtmlContainerControl类也具有Render()方法，在这个方法中也调用了RenderBeginTag()方法，且RenderBeginTag方法的实现和前者完全一致：
protected override void Render(HtmlTextWriter writer)
{
this.RenderBeginTag(writer);
this.RenderChildren(writer);
this.RenderEndTag(writer);
}
按照上面的结构，由于HtmlControl和HtmlContainerControl之间并无继承关系，这就要求两个类中，都要重复实现RenderBeginTag()方法，从而导致产生重复代码。根据OO的特点，解决的办法，就是让HtmlContainerControl继承自HtmlControl类（因为HtmlContainerControl的接口比HtmlControl宽，所以只能令HtmlContainerControl作为子类），并让RenderBeginTag()方法成为HtmlControl类的protected方法，子类HtmlContainerControl可以直接调用这个方法。然而与之矛盾的是，HtmlContainerControl却是一个可以包含子控件的枝节点，而HtmlControl则是不能包含子控件的叶节点，那么这样的继承关系还成立吗？
HtmlControl类对Add()方法和Remove()方法的重写后，这两个方法内容为空。由于HtmlContainerControl类继承HtmlControl类，但我们又要求它的Add()和Remove()方法和Control类保持一致，而父类HtmlControl已经重写这两个方法，此时是无法直接继承来自父类的方法的。以上是采用透明方式的设计。
如果采用安全方式，仍然有问题。虽然在HtmlControl类中不再有Add()和Remove()方法，但由于Control类和HtmlContainerControl类都允许添加子控件，它们包含的Add()、Remove()方法，只能分别实现。这样的设计必然会导致重复代码。这也是与我们的期望不符的。
那么在.Net中，Control类究竟是怎样实现的呢？下面，我将根据.Net实现Control控件的源代码，来分析Control控件的真实结构，以及其具体的实现细节。
三、深入分析.Net中的Composite模式
首先，我们来剖析Web控件的基类Control类的内部实现：
public class Control : IComponent, IDisposable, IParserAccessor, IDataBindingsAccessor
{
// Events;略
// Methods
public Control()
{
if (this is INamingContainer)
{
this.flags[0x80] = true;
}
}
public virtual bool HasControls()
{
if (this._controls != null)
{
return (this._controls.Count > 0);
}
return false;
}
public virtual void DataBind()
{
this.OnDataBinding(EventArgs.Empty);
if (this._controls != null)
{
string text1 = this._controls.SetCollectionReadOnly("Parent_collections_readonly");
int num1 = this._controls.Count;
for (int num2 = 0; num2 < num1; num2++)
{
this._controls[num2].DataBind();
}
this._controls.SetCollectionReadOnly(text1);
}
}
protected virtual void Render(HtmlTextWriter writer)
{
this.RenderChildren(writer);
}
protected virtual ControlCollection CreateControlCollection()
{
return new ControlCollection(this);
}
// Properties
public virtual ControlCollection Controls
{
get
{
if (this._controls == null)
{
this._controls = this.CreateControlCollection();
}
return this._controls;
}
}
// Fields
private ControlCollection _controls;
}
Control基类中的属性和方法很多，为清晰起见，我只保留了几个与模式有关的关键方法与属性。在上述的源代码中，我们需要注意几点：
1、Control类不是抽象类，而是具体类。这是因为在设计时，我们可能会创建Control类型的实例。根据这一点来看，这并不符合OOP的要求。一般而言，作为抽象出来的基类，必须定义为接口或抽象类。不过在实际的设计中，也不应拘泥于这些条条框框，而应审时度势，根据实际的情况来抉择最佳的设计方案。
2、公共属性Controls为ControlCollection类型，且该属性为virtual属性。也就是说，这个属性可以被它的子类override。同时，该属性为只读属性，在其get访问器中，调用了方法CreateControlCollection()；这个方法为protected虚方法，默认的实现是返回一个ControlCollection实例。
3、方法HasControls()，功能为判断Control对象是否有子控件。它判断的依据是根据私有字段_controls（即公共属性Controls）的Count值。但是需要注意的是，通过HasControls()方法的返回值，并不能决定对象本身属于叶节点，还是枝节点。因为即使是枝节点其内部仍然可以不包含任何子对象。
4、 方法DataBind()的实现中，首先调用了自身的OnDataBinding()方法，然后又遍历了Controls中的所有控件，并调用其DataBind()方法。该方法属于控件的共有行为，从这里可以看出不管是作为叶节点的控件，还是作为枝节点的控件，它们都实现统一的接口。对于客户端调用而言，枝节点和叶节点是没有区别的。
5、 Control类的完整源代码中，并不存在Add()、Remove()等类似的方法，以提供添加和移除子控件的功能。事实上，继承Control类的所有子类均不存在Add()、Remove()等方法。
显然，在Control类的定义和实现中，值得我们重视的是公共属性Controls的类型ControlCollection。顾名思义，该类必然是一个集合类型。是否有关子控件的操作，都是在ControlCollection类型中实现呢？我们来分析一下ControlCollection的代码：
public class ControlCollection : ICollection, IEnumerable
{
// Methods
public ControlCollection(Control owner)
{
this._readOnlyErrorMsg = null;
if (owner == null)
{
throw new ArgumentNullException("owner");
}
this._owner = owner;
}
public virtual void Add(Control child)
{
if (child == null)
{
throw new ArgumentNullException("child");
}
if (this._readOnlyErrorMsg != null)
{
throw new HttpException(HttpRuntime.FormatResourceString(this._readOnlyErrorMsg));
}
if (this._controls == null)
{
this._controls = new Control[5];
}
else if (this._size >= this._controls.Length)
{
Control[] controlArray1 = new Control[this._controls.Length * 4];
Array.Copy(this._controls, controlArray1, this._controls.Length);
this._controls = controlArray1;
}
int num1 = this._size;
this._controls[num1] = child;
this._size++;
this._version++;
this._owner.AddedControl(child, num1);
}
public virtual void Remove(Control value)
{
int num1 = this.IndexOf(value);
if (num1 >= 0)
{
this.RemoveAt(num1);
}
}
// Indexer
public virtual Control this[int index]
{
get
{
if ((index < 0) || (index >= this._size))
{
throw new ArgumentOutOfRangeException("index");
}
return this._controls[index];
}
}
// Properties
public int Count
{
get
{
return this._size;
}
}
protected Control Owner
{
get
{
return this._owner;
}
}
protected Control Owner { get; }
// Fields
private Control[] _controls;
private const int _defaultCapacity = 5;
private const int _growthFactor = 4;
private Control _owner;
}
一目了然，正是ControlCollection的Add()、Remove()方法完成了对子控件的添加和删除。例如：
Control parent = new Control();
Control child = new Child();
//添加子控件child;
parent.Controls.Add(child);
//移除子控件child;
parent.Controls.Remove(child);
为什么要专门提供ControlCollection类型来管理控件的子控件呢？首先，作为类库使用者，自然希望各种类型的控件具有统一的接口，尤其是自定义控件的时候，不希望自己重复定义管理子控件的操作；那么采用透明方式自然是最佳方案。然而，在使用控件的时候，安全也是需要重点考虑的，如果不考虑子控件管理的合法性，一旦使用错误，会导致整个应用程序出现致命错误。从这样的角度考虑，似乎又应采用安全方式。这里就存在一个抉择。故而，.Net在实现Control类库时，利用了职责分离的原则，将控件对象管理子控件的属性与行为和控件本身分离，并交由单独的ControlCollection类负责。同时采用聚合而非继承的方式，以一个公共属性Controls，存在于Control类中。这种方式，集保留了透明方式和安全方式的优势，又摒弃了这两种方式固有的缺陷，因此我名其为“复合方式”。
“复合方式”的设计，其对安全的保障，不仅仅是去除了Control类关于子控件管理的统一接口，同时还通过异常管理的方式，在ControlCollection类的子类中实现：
public class EmptyControlCollection : ControlCollection
{
// Methods
public EmptyControlCollection(Control owner) : base(owner)
{}
public override void Add(Control child)
{
this.ThrowNotSupportedException();
}
private void ThrowNotSupportedException()
{
throw new HttpException(HttpRuntime.FormatResourceString("Control_does_not_allow_children", base.Owner.GetType().ToString()));
}
}
EmptyControlCollection继承了ControlCollection类，并重写了Add()等添加子控件的方法，使其抛出一个异常。注意，它并没有重写父类的Remove()方法，这是因为ControlCollection类在实现Remove()方法时，对集合内的数据进行了非空判断。而在EmptyControlCollection类中，是不可能添加子控件的，直接调用父类的Remove()方法，是不会出现错误的。
既然管理子控件的职责由ControlCollection类型负责，且Control类中的公共属性Controls即为ControlCollection类型。所以，对于控件而言，如果是树形结构中的叶节点，它不能包含子控件，它的Controls属性就应为EmptyControlCollection类型，假如用户调用了Controls的Add()方法，就会抛出异常。如果控件是树形结构中的枝节点，它支持子控件，那么Controls属性就是ControlCollection类型。究竟是枝节点还是叶节点，决定权在于公共属性Controls：
public virtual ControlCollection Controls
{
get
{
if (this._controls == null)
{
this._controls = this.CreateControlCollection();
}
return this._controls;
}
}
在属性的get访问器中，调用了protected方法CreateControlCollection()，它创建并返回了一个ControlCollection实例：
protected virtual ControlCollection CreateControlCollection()
{
return new ControlCollection(this);
}
很明显，在Control基类实现Controls属性时，采用了Template Method模式,它推迟了ControlCollection的创建，将决定权交给了CreateControlCollection()方法。
如果我们需要定义一个控件，要求它不能管理子控件，就重写CreateControlCollection()方法，返回EmptyControlCollection对象：
protected override ControlCollection CreateControlCollection()
{
return new EmptyControlCollection(this);
}
现在再回过头来看HtmlControl和HtmlContainerControl类。根据前面的分析，我们要求HtmlContainerControl继承HtmlControl类，同时，HtmlContainerControl应为枝节点，能够管理子控件；HtmlControl则为叶节点，不支持子控件。通过引入ControlCollection类和其子类EmptyControlCollection，以及Template Method模式后，这些类之间的关系与结构如下所示：
HtmlContainerControl继承了HtmlControl类，这两个类都重写了自己父类的protected方法CreateControlCollection()。HtmlControl类，该方法返回EmptyControlCollection对象，使其成为了不包含子控件的叶节点；HtmlContainerControl类中，该方法则返回ControlCollection对象，从而被赋予了管理子控件的能力，成为了枝节点：
public abstract class HtmlControl : Control, IAttributeAccessor
{
// Methods
protected override ControlCollection CreateControlCollection()
{
return new EmptyControlCollection(this);
}
}
public abstract class HtmlContainerControl : HtmlControl
{
// Methods
protected override ControlCollection CreateControlCollection()
{
return new ControlCollection(this);
}
}
HtmlControl和HtmlContainerControl类均为抽象类。要定义它们的子类，如果不重写其父类的CreateControlCollection()方法，那么它们的Controls属性，就与父类完全一致。例如HtmlImage控件继承自HtmlControl类，该控件不能添加子控件；而HtmlForm控件则继承自HtmlContainerControl类，显然，HtmlForm控件是支持添加子控件的操作的。
.Net的控件设计采用Composite模式的“复合方式”，较好地将控件的透明性与安全性结合起来，它的特点是：
1、在统一接口中消除了Add()、Remove()等子控件的管理方法，而由ControlCollection类实现，同时通过EmptyControlCollection类保障了控件进一步的安全；
2、控件能否管理子控件，不由继承的层次决定；而是通过重写CreateControlCollection()方法，由Controls属性的真正类型来决定。
如此一来，要定义自己的控件就更加容易。我们可以任意地扩展自己的控件类。不管继承自Control，还是HtmlControl或HtmlContainerControl，都可以轻松地定义出具有枝节点或叶节点属性的新控件。如果有新的需求要求改变管理子控件的方式，我们还可以定义继承自ControlCollection的类，并在控件类的方法CreateControlCollection()中创建并返回它的实例。
