组合模式CompositePattern

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组合模式是一种结构型设计模式。组合模式描述了一组对象，这些对象被视为同一类型对象的单个实例。组合的目的是将对象“组合「compose」”成树结构，以表示部分-整体层次结构。实现组合模式可以让客户端统一处理单个对象和组合。

解决的问题

表示 part-whole 层次结构，以便客户端可以统一处理部分和整体对象。 将 part-whole 层次表示为树结构。 在定义（1）Part对象和（2）充当Part对象容器的Whole对象时，客户端必须单独处理它们，这会使客户端代码复杂化。

解决方案

为 part（Leaf）对象和 whole（Composite）对象定义统一的Component接口。 单个Leaf对象直接实现Component接口，Composite对象将请求转发到其子组件。

这使客户端能够通过Component接口统一处理Leaf和Composite对象：Leaf对象直接执行请求，Composite对象沿树结构向下递归地将请求转发给其子组件。这使得客户端类更容易实现、更改、测试和重用。

另请参见下面的UML类和对象图「object diagram」。

UML class and object diagram

在上面的UML类图中，Client类没有直接（separately）引用Leaf和Composite类。相反，客户端引用公共 Component 接口，可以统一处理Leaf和Composite。 Leaf类没有子类，直接实现Component接口。 Composite类维护一个Component子对象（children）的容器，并将请求转发给这些子对象（对于children中的每个子对象：child.operation（））。

对象协作图「object collaboration diagram」显示了运行时交互：在这个例子中，Client对象向树结构中的顶级Composite对象（Component类型）发送请求。请求被转发到树结构下方的所有子组件对象（Leaf 和 Composite对象）。

Defining Child-Related Operations

有两种设计变体「variants」用于定义和实现与子组件相关的操作「child-related operations」，例如向容器中添加/从容器中删除子组件(add（child)/remove(child)）和访问子组件（getChild()）：          1，一致性设计「Design for uniformity」：在Component接口中定义与child相关的操作。这使得客户端可以统一地处理Leaf和Composite对象。但是类型安全性丢失了，因为客户端可以对Leaf对象执行与child对象相关的操作。         2，为类型安全而设计「Design for type safety:」：与child相关的操作仅在Composite类中定义。客户端必须区别对待Leaf和Composite对象。但是类型安全是可以获得的，因为客户端不能在Leaf对象上执行与子对象相关的操作。

组合设计模式强调一致性而不是类型安全性。

UML class diagram

Component

        是所有组件的抽象，包括Composite 组件         声明组合中「composition」对象的接口         （可选）定义了一个用于访问递归结构中组件父级的接口，并在适当的情况下实现它

Leaf

        表示组合中「composition」的叶子对象         实现所有Component方法

Composite         表示组合组件（具有子组件的组件）         实现操纵children的方法         实现所有Component方法，通常是通过将它们委托给其 children

Variation

​该模式还涉及在主 Component 接口中包含 child-manipulation 方法，而不仅仅是Composite子类。最近的描述有时会省略这些方法。

举个例子

假设我们要设计一个文件系统，文件系统中有文件和文件夹：

文件是叶子节点，没有子节点。

文件夹是容器节点，可以包含文件或其他文件夹。

使用组合模式：

Component：定义一个抽象类 FileSystemComponent，包含一个方法 display()。

Leaf：File 类继承 FileSystemComponent，实现 display() 方法。

Composite：Folder 类继承 FileSystemComponent，包含一个子节点列表，并实现 display() 方法（递归显示所有子节点）。

客户端可以统一调用 display() 方法，无论是文件还是文件夹。

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优点

简化客户端代码：客户端无需区分叶子节点和容器节点，统一处理。

扩展性强：可以轻松添加新的组件类型。

符合开闭原则：对扩展开放，对修改关闭。

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缺点

设计复杂：需要定义统一的接口，可能增加系统的复杂性。

类型检查问题：在某些情况下，客户端可能需要检查对象的具体类型。

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适用场景

需要表示“部分-整体”的层次结构。

希望客户端以统一的方式处理单个对象和组合对象。

需要动态地添加或删除组件。

from abc import ABC, abstractmethod # Component class FileSystemComponent(ABC): @abstractmethod def display(self): pass # Leaf class File(FileSystemComponent): def __init__(self, name): self.name = name def display(self): print(f"File: {self.name}") # Composite class Folder(FileSystemComponent): def __init__(self, name): self.name = name self.children = [] def add(self, component): self.children.append(component) def remove(self, component): self.children.remove(component) def display(self): print(f"Folder: {self.name}") for child in self.children: child.display() # Client if __name__ == "__main__": file1 = File("file1.txt") file2 = File("file2.txt") folder1 = Folder("Folder1") folder1.add(file1) folder1.add(file2) folder2 = Folder("Folder2") folder2.add(File("file3.txt")) folder2.add(folder1) folder2.display()