设计模式（10）：结构型模式(四) 组合模式（Composite）

一、动机（Motivate）

      在我们的操作系统中有文件夹的概念，文件夹可以包含文件夹，可以嵌套多层，最里面包含的是文件，这个概念和“俄罗斯套娃”很像。当然还有很多的例子，例如我们使用系统的时候，会使用到“系统菜单”，这个东西是树形结构。这些例子包含的这些东西或者说是对象，可以分为两类，一类是：容器对象，可以包含其他的子对象；另一类是：叶子对象，这类对象是不能在包含其他对象的对象了。在软件设计中，我们该怎么处理这种情况呢？是每类对象分别对待，还是提供一个统一的操作方式呢。组合模式给我们提供了一种解决此类问题的一个途径。   

      客户代码过多地依赖于对象容器（对象容器是对象的容器，细细评味）复杂的内部实现结构，对象容器内部实现结构（而非抽象接口）的变化将引起客户代码的频繁变化，带来了代码的维护性、扩展性等方面的弊端。如何将“客户代码与复杂的对象容器结构”解耦？如何让对象容器自己来实现自身的复杂结构，从而使得客户代码就像处理简单对象一样来处理复杂的对象容器？

二、意图（Intent）

     将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。Composite使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。        ——  《设计模式》GoF

三、结构图（Structure）

四、模式的组成

    组合模式中涉及到三个角色：
（1）、抽象构件角色（Component）：这是一个抽象角色，它给参加组合的对象定义出了公共的接口及默认行为，可以用来管理所有的子对象（在透明式的组合模式是这样的）。在安全式的组合模式里，构件角色并不定义出管理子对象的方法，这一定义由树枝结构对象给出。
（2）、树叶构件角色（Leaf）：树叶对象是没有下级子对象的对象，定义出参加组合的原始对象的行为。（原始对象的行为可以理解为没有容器对象管理子对象的方法，或者 【原始对象行为】+【管理子对象的行为（Add，Remove等）】=面对客户代码的接口行为集合）
（3）、树枝构件角色（Composite）：代表参加组合的有下级子对象的对象，树枝对象给出所有管理子对象的方法实现，如Add、Remove等。
   组合模式实现的最关键的地方是——简单对象和复合对象必须实现相同的接口。这就是组合模式能够将组合对象和简单对象进行一致处理的原因。

五、组合模式的具体代码实现

     组合模式有两种实现方式，一种是：透明式的组合模式，另外一种是：安全式的组合模式

1、透明式的组合模式

      指“抽象构件角色”定义的接口行为集合包含两个部分，一部分是叶子对象本身所包含的行为（比如Operation），另外一部分是容器对象本身所包含的管理子对象的行为(Add,Remove)。这个抽象构件必须同时包含这两类对象所有的行为，客户端代码才会透明的使用，无论调用容器对象还是叶子对象，接口方法都是一样的，这就是透明，针对客户端代码的透明。

/// <summary>
/// 该抽象类就是文件夹抽象接口的定义，该类型就相当于是抽象构件Component类型
/// </summary>
public abstract class Folder
{
    public abstract void Add(Folder folder);//增加文件夹或文件
    public abstract void Remove(Folder folder);//删除文件夹或者文件
    public abstract void Open();    //打开文件或者文件夹--该操作相当于Component类型的Operation方法
}

/// <summary>
/// 该Word文档类就是叶子构件的定义，该类型就相当于是Leaf类型，不能在包含子对象
/// </summary>
public sealed class Word : Folder
{
    public override void Add(Folder folder)//增加文件夹或文件
    {
        throw new Exception("Word文档不具有该功能");
    }

    public override void Remove(Folder folder)//删除文件夹或者文件
    {
        throw new Exception("Word文档不具有该功能");
    }

    public override void Open()//打开文件--该操作相当于Component类型的Operation方法
    {
        Console.WriteLine("打开Word文档，开始进行编辑");
    }
}

/// <summary>
/// SonFolder类型就是树枝构件，由于我们使用的是“透明式”，所以Add,Remove都是从Folder类型继承下来的
/// </summary>
public class SonFolder : Folder
{
    public override void Add(Folder folder)//增加文件夹或文件
    {
        Console.WriteLine("文件或者文件夹已经增加成功");
    }

    public override void Remove(Folder folder)//删除文件夹或者文件
    {
        Console.WriteLine("文件或者文件夹已经删除成功");
    }

    public override void Open()//打开文件夹--该操作相当于Component类型的Operation方法
    {
        Console.WriteLine("已经打开当前文件夹");
    }
}

public class Program
{
    static void Main()
    {
        Folder myword = new Word();
        myword.Open();//打开文件，处理文件
        myword.Add(new SonFolder());//抛出异常
        myword.Remove(new SonFolder());//抛出异常

        Folder myfolder = new SonFolder();
        myfolder.Open();//打开文件夹
        myfolder.Add(new SonFolder());//成功增加文件或者文件夹
        myfolder.Remove(new SonFolder());//成功删除文件或者文件夹
    }
}

2、安全式的组合模式

指“抽象构件角色”只定义叶子对象的方法，确切的说这个抽象构件只定义两类对象共有的行为，然后容器对象的方法定义在“树枝构件角色”上，这样叶子对象有叶子对象的方法，容器对象有容器对象的方法，这样责任很明确，当然调用肯定不会抛出异常了。

/// <summary>
/// 该抽象类就是文件夹抽象接口的定义，该类型就相当于是抽象构件Component类型
/// </summary>
public abstract class Folder //该类型少了容器对象管理子对象的方法的定义，换了地方，在树枝构件也就是SonFolder类型
{
    public abstract void Open();  //打开文件或者文件夹--该操作相当于Component类型的Operation方法
}

/// <summary>
/// 该Word文档类就是叶子构件的定义，该类型就相当于是Leaf类型，不能在包含子对象
/// </summary>
public sealed class Word : Folder  //这类型现在很干净
{
    public override void Open() //打开文件--该操作相当于Component类型的Operation方法
    {
        Console.WriteLine("打开Word文档，开始进行编辑");
    }
}

/// <summary>
/// SonFolder类型就是树枝构件，现在由于我们使用的是“安全式”，所以Add,Remove都是从此处开始定义的
/// </summary>
public abstract class SonFolder : Folder //这里可以是抽象接口，可以自己根据自己的情况而定
{
    public abstract void Add(Folder folder); //增加文件夹或文件
    public abstract void Remove(Folder folder); //删除文件夹或者文件
    public override void Open()//打开文件夹--该操作相当于Component类型的Operation方法
    {
        Console.WriteLine("已经打开当前文件夹");
    }
}

/// <summary>
/// NextFolder类型就是树枝构件的实现类
/// </summary>
public sealed class NextFolder : SonFolder
{
    public override void Add(Folder folder)//增加文件夹或文件
    {
        Console.WriteLine("文件或者文件夹已经增加成功");
    }

    public override void Remove(Folder folder) //删除文件夹或者文件
    {
        Console.WriteLine("文件或者文件夹已经删除成功");
    }

    public override void Open()//打开文件夹--该操作相当于Component类型的Operation方法
    {
        Console.WriteLine("已经打开当前文件夹");
    }
}

public class Program
{
    static void Main()
    {
        Folder myword = new Word();//这是安全的组合模式
        myword.Open();//打开文件，处理文件
        Folder myfolder = new NextFolder();
        myfolder.Open();//打开文件夹

        //此处要是用增加和删除功能，需要转型的操作，否则不能使用
        ((SonFolder)myfolder).Add(new NextFolder());//成功增加文件或者文件夹
        ((SonFolder)myfolder).Remove(new NextFolder());//成功删除文件或者文件夹
    }
}

六、组合模式的实现要点：

    1、Composite模式采用树形结构来实现普遍存在的对象容器，从而将“一对多”的关系转化为“一对一”的关系，使得客户代码可以一致地处理对象和对象容器，无需关心处理的是单个的对象，还是组合的对象容器。
    2、将“客户代码与复杂的对象容器结构”解耦是Composite模式的核心思想，解耦之后，客户代码将与纯粹的抽象接口——而非对象容器的复杂内部实现结构——发生依赖关系，从而更能“应对变化”。
    3、Composite模式中，是将“Add和Remove等和对象容器相关的方法”定义在“表示抽象对象的Component类”中，还是将其定义在“表示对象容器的Composite类”中，是一个关乎“透明性”和“安全性”的两难问题，需要仔细权衡。这里有可能违背面向对象的“单一职责原则”，但是对于这种特殊结构，这又是必须付出的代价。ASP.Net控件的实现在这方面为我们提供了一个很好的示范。
    4、Composite模式在具体实现中，可以让父对象中的子对象反向追朔；如果父对象有频繁的遍历需求，可使用缓存技巧来改善效率。

组合模式的优点：

          （1）、组合模式使得客户端代码可以一致地处理对象和对象容器，无需关系处理的单个对象，还是组合的对象容器。
          （2）、将”客户代码与复杂的对象容器结构“解耦。
          （3）、可以更容易地往组合对象中加入新的构件。

组合模式的缺点：

          （1）、使得设计更加复杂。客户端需要花更多时间理清类之间的层次关系。（这个是几乎所有设计模式所面临的问题）。

在以下情况下应该考虑使用组合模式：

           （1）、需要表示一个对象整体或部分的层次结构。
           （2）、希望用户忽略组合对象与单个对象的不同，用户将统一地使用组合结构中的所有对象。

七、.NET 中组合模式的实现

       其实组合模式在FCL里面运用还是很多的，不知道大家是不是有所感觉，这个模式大多数是运用在控件上或者是和界面操作、展示相关的操作上。这个模式在.NET 中最典型的应用就是应用与WinForms和Web的开发中，在.NET类库中，都为这两个平台提供了很多现有的控件，然而System.Windows.Forms.dll中System.Windows.Forms.Control类就应用了组合模式，因为控件包括Label、TextBox等这样的简单控件，这些控件可以理解为叶子对象，同时也包括GroupBox、DataGrid这样复合的控件或者叫容器控件，每个控件都需要调用OnPaint方法来进行控件显示，为了表示这种对象之间整体与部分的层次结构，微软把Control类的实现应用了组合模式（确切地说应用了透明式的组合模式）。