在軟件開發過程中,我們經常會遇到處理簡單對象和複合對象的情況,例如對操作系統中目錄的處理就是這樣的一個例子,因為目錄可以包括單獨的文件,也可以包括文件夾,文件夾又是由文件組成的,由于簡單對象和複合對象在功能上區别,導緻在操作過程中必須區分簡單對象和複合對象,這樣就會導緻客戶調用帶來不必要的麻煩,然而作為客戶,它們希望能夠始終一緻地對待簡單對象和複合對象。然而組合模式就是解決這樣的問題。下面讓我們看看組合模式是怎樣解決這個問題的。
二、組合模式的詳細介紹2.1 組合模式的定義組合模式允許你将對象組合成樹形結構來表現”部分-整體“的層次結構,使得客戶以一緻的方式處理單個對象以及對象的組合。下面我們用繪制的例子來詳細介紹組合模式,圖形可以由一些基本圖形元素組成(如直線,圓等),也可以由一些複雜圖形組成(由基本圖形元素組合而成),為了使客戶對基本圖形和複雜圖形的調用保持一緻,我們使用組合模式來達到整個目的。
組合模式實現的最關鍵的地方是——簡單對象和複合對象必須實現相同的接口。這就是組合模式能夠将組合對象和簡單對象進行一緻處理的原因。
2.2 組合模式的實現介紹完組合模式的定義之後,讓我們以圖形的例子來實現組合模式,具體代碼如下:
// 通過一些簡單圖形以及一些複雜圖形構建圖形樹來演示組合模式
// 客戶端調用
class Client
{
static void Main(string[] args)
{
ComplexGraphics complexGraphics = new ComplexGraphics("一個複雜圖形和兩條線段組成的複雜圖形");
complexGraphics.Add(new Line("線段A"));
ComplexGraphics CompositeCG = new ComplexGraphics("一個圓和一條線組成的複雜圖形");
CompositeCG.Add(new Circle("圓"));
CompositeCG.Add(new Circle("線段B"));
complexGraphics.Add(CompositeCG);
Line l = new Line("線段C");
complexGraphics.Add(l);
// 顯示複雜圖形的畫法
Console.WriteLine("複雜圖形的繪制如下:");
Console.WriteLine("---------------------");
complexGraphics.Draw();
Console.WriteLine("複雜圖形繪制完成");
Console.WriteLine("---------------------");
Console.WriteLine();
// 移除一個組件再顯示複雜圖形的畫法
complexGraphics.Remove(l);
Console.WriteLine("移除線段C後,複雜圖形的繪制如下:");
Console.WriteLine("---------------------");
complexGraphics.Draw();
Console.WriteLine("複雜圖形繪制完成");
Console.WriteLine("---------------------");
Console.Read();
}
}
/// <summary>
/// 圖形抽象類,
/// </summary>
public abstract class Graphics
{
public string Name { get; set; }
public Graphics(string name)
{
this.Name = name;
}
public abstract void Draw();
public abstract void Add(Graphics g);
public abstract void Remove(Graphics g);
}
/// <summary>
/// 簡單圖形類——線
/// </summary>
public class Line : Graphics
{
public Line(string name)
: base(name)
{ }
// 重寫父類抽象方法
public override void Draw()
{
Console.WriteLine("畫 " Name);
}
// 因為簡單圖形在添加或移除其他圖形,所以簡單圖形Add或Remove方法沒有任何意義
// 如果客戶端調用了簡單圖形的Add或Remove方法将會在運行時抛出異常
// 我們可以在客戶端捕獲該類移除并處理
public override void Add(Graphics g)
{
throw new Exception("不能向簡單圖形Line添加其他圖形");
}
public override void Remove(Graphics g)
{
throw new Exception("不能向簡單圖形Line移除其他圖形");
}
}
/// <summary>
/// 簡單圖形類——圓
/// </summary>
public class Circle : Graphics
{
public Circle(string name)
: base(name)
{ }
// 重寫父類抽象方法
public override void Draw()
{
Console.WriteLine("畫 " Name);
}
public override void Add(Graphics g)
{
throw new Exception("不能向簡單圖形Circle添加其他圖形");
}
public override void Remove(Graphics g)
{
throw new Exception("不能向簡單圖形Circle移除其他圖形");
}
}
/// <summary>
/// 複雜圖形,由一些簡單圖形組成,這裡假設該複雜圖形由一個圓兩條線組成的複雜圖形
/// </summary>
public class ComplexGraphics : Graphics
{
private List<Graphics> complexGraphicsList = new List<Graphics>();
public ComplexGraphics(string name)
: base(name)
{ }
/// <summary>
/// 複雜圖形的畫法
/// </summary>
public override void Draw()
{
foreach (Graphics g in complexGraphicsList)
{
g.Draw();
}
}
public override void Add(Graphics g)
{
complexGraphicsList.Add(g);
}
public override void Remove(Graphics g)
{
complexGraphicsList.Remove(g);
}
}
由于基本圖形對象不存在Add和Remove方法,上面實現中直接通過抛出一個異常的方式來解決這樣的問題的,但是我們想以一種更安全的方式來解決——因為基本圖形根本不存在這樣的方法,我們是不是可以移除這些方法呢?為了移除這些方法,我們就不得不修改Graphics接口,我們把管理子對象的方法聲明放在複合圖形對象裡面,這樣簡單對象Line、Circle使用這些方法時在編譯時就會出錯,這樣的一種實現方式我們稱為安全是組合模式,然而上面的實現方式稱為透明式的組合模式,下面讓我們看看安全式的組合模式又是怎樣實現的,具體實現代碼如下:
/// 安全式的組合模式
/// 此方式實現的組合模式把管理子對象的方法聲明在樹枝構件ComplexGraphics類中
/// 這樣如果葉子節點Line、Circle使用了Add或Remove方法時,就能在編譯期間出現錯誤
/// 但這種方式雖然解決了透明式組合模式的問題,但是它使得葉子節點和樹枝構件具有不一樣的接口。
/// 所以這兩種方式實現的組合模式各有優缺點,具體使用哪個,可以根據問題的實際情況而定
class Client
{
static void Main(string[] args)
{
ComplexGraphics complexGraphics = new ComplexGraphics("一個複雜圖形和兩條線段組成的複雜圖形");
complexGraphics.Add(new Line("線段A"));
ComplexGraphics CompositeCG = new ComplexGraphics("一個圓和一條線組成的複雜圖形");
CompositeCG.Add(new Circle("圓"));
CompositeCG.Add(new Circle("線段B"));
complexGraphics.Add(CompositeCG);
Line l = new Line("線段C");
complexGraphics.Add(l);
// 顯示複雜圖形的畫法
Console.WriteLine("複雜圖形的繪制如下:");
Console.WriteLine("---------------------");
complexGraphics.Draw();
Console.WriteLine("複雜圖形繪制完成");
Console.WriteLine("---------------------");
Console.WriteLine();
// 移除一個組件再顯示複雜圖形的畫法
complexGraphics.Remove(l);
Console.WriteLine("移除線段C後,複雜圖形的繪制如下:");
Console.WriteLine("---------------------");
complexGraphics.Draw();
Console.WriteLine("複雜圖形繪制完成");
Console.WriteLine("---------------------");
Console.Read();
}
}
/// <summary>
/// 圖形抽象類,
/// </summary>
public abstract class Graphics
{
public string Name { get; set; }
public Graphics(string name)
{
this.Name = name;
}
public abstract void Draw();
// 移除了Add和Remove方法
// 把管理子對象的方法放到了ComplexGraphics類中進行管理
// 因為這些方法隻在複雜圖形中才有意義
}
/// <summary>
/// 簡單圖形類——線
/// </summary>
public class Line : Graphics
{
public Line(string name)
: base(name)
{ }
// 重寫父類抽象方法
public override void Draw()
{
Console.WriteLine("畫 " Name);
}
}
/// <summary>
/// 簡單圖形類——圓
/// </summary>
public class Circle : Graphics
{
public Circle(string name)
: base(name)
{ }
// 重寫父類抽象方法
public override void Draw()
{
Console.WriteLine("畫 " Name);
}
}
/// <summary>
/// 複雜圖形,由一些簡單圖形組成,這裡假設該複雜圖形由一個圓兩條線組成的複雜圖形
/// </summary>
public class ComplexGraphics : Graphics
{
private List<Graphics> complexGraphicsList = new List<Graphics>();
public ComplexGraphics(string name)
: base(name)
{ }
/// <summary>
/// 複雜圖形的畫法
/// </summary>
public override void Draw()
{
foreach (Graphics g in complexGraphicsList)
{
g.Draw();
}
}
public void Add(Graphics g)
{
complexGraphicsList.Add(g);
}
public void Remove(Graphics g)
{
complexGraphicsList.Remove(g);
}
}
2.3 組合模式的類圖
看完了上面兩者方式的實現之後,讓我們具體看看組合模式的類圖來理清楚組合模式中類之間的關系。
透明式的組合模式類圖:
安全式組合模式的類圖:
組合模式中涉及到三個角色:
- 抽象構件(Component)角色:這是一個抽象角色,上面實現中Graphics充當這個角色,它給參加組合的對象定義出了公共的接口及默認行為,可以用來管理所有的子對象(在透明式的組合模式是這樣的)。在安全式的組合模式裡,構件角色并不定義出管理子對象的方法,這一定義由樹枝結構對象給出。
- 樹葉構件(Leaf)角色:樹葉對象時沒有下級子對象的對象,上面實現中Line和Circle充當這個角色,定義出參加組合的原始對象的行為
- 樹枝構件(Composite)角色:代表參加組合的有下級子對象的對象,上面實現中ComplexGraphics充當這個角色,樹枝對象給出所有管理子對象的方法實現,如Add、Remove等。
優點:
- 組合模式使得客戶端代碼可以一緻地處理對象和對象容器,無需關系處理的單個對象,還是組合的對象容器。
- 将”客戶代碼與複雜的對象容器結構“解耦。
- 可以更容易地往組合對象中加入新的構件。
缺點:使得設計更加複雜。客戶端需要花更多時間理清人類之間的層次關系。(這個是幾乎所有設計師所面臨的問題)。
注意的問題:
- 有時候系統需要遍曆一個樹枝結構的子構件很多次,這時候可以考慮把遍曆子構件的結構存儲在父構件裡面作為緩存。
- 客戶端盡量不要直接調用樹葉類中的方法(在我上面實現就是這樣的,創建的是一個樹枝的具體對象,應該使用Graphics complexGraphics = new ComplexGraphics("一個複雜圖形和兩條線段組成的複雜圖形");),而是借用其父類(Graphics)的多态性完成調用,這樣可以增加代碼的複用性。
在以下情況下應該考慮使用組合模式:
- 需要表示一個對象整體或部分的層次結構。
- 希望用戶忽略組合對象與單個對象的不同,用戶将統一地使用組合結構中的所有對象。
組合模式在.NET 中最典型的應用就是應用與WinForms和Web的開發中,在.NET類庫中,都為這兩個平台提供了很多現有的控件,然而System.Windows.Forms.dll中System.Windows.Forms.Control類就應用了組合模式,因為控件包括Label、TextBox等這樣的簡單控件,同時也包括GroupBox、DataGrid這樣複合的控件,每個控件都需要調用OnPaint方法來進行控件顯示,為了表示這種對象之間整體與部分的層次結構,微軟把Control類的實現應用了組合模式(确切地說應用了透明式的組合模式)。
六、總結到這裡組合模式的介紹就結束了,組合模式解耦了客戶程序與複雜元素内部結構,從而使客戶程序可以向處理簡單元素一樣來處理複雜元素。
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