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亦称: 对象树、­Object Tree、­Composite

组合模式

意图

组合模式是一种结构型设计模式,你可以使用它将对象组合成树状结构,并且能像使用独立对象一样使用它们。

组合设计模式

问题

如果应用的核心模型能用树状结构表示,在应用中使用组合模式才有价值。

例如,你有两类对象:产品盒子。一个盒子中可以包含多个产品或者几个较小的盒子。这些小盒子中同样可以包含一些产品或更小的盒子,以此类推。

假设你希望在这些类的基础上开发一个定购系统。订单中可以包含无包装的简单产品,也可以包含装满产品的盒子……以及其他盒子。此时你会如何计算每张订单的总价格呢?

复杂订单的结构

订单中可能包括各种产品,这些产品放置在盒子中,然后又被放入一层又一层更大的盒子中。整个结构看上去像是一棵倒过来的树。

你可以尝试直接计算:打开所有盒子,找到每件产品,然后计算总价。这在真实世界中或许可行,但在程序中,你并不能简单地使用循环语句来完成该工作。你必须事先知道所有产品盒子的类别,所有盒子的嵌套层数以及其他繁杂的细节信息。因此,直接计算极不方便,甚至完全不可行。

解决方案

组合模式建议使用一个通用接口来与产品盒子进行交互,并且在该接口中声明一个计算总价的方法。

那么方法该如何设计呢?对于一个产品,该方法直接返回其价格;对于一个盒子,该方法遍历盒子中的所有项目,询问每个项目的价格,然后返回该盒子的总价格。如果其中某个项目是小一号的盒子,那么当前盒子也会遍历其中的所有项目,以此类推,直到计算出所有内部组成部分的价格。你甚至可以在盒子的最终价格中增加额外费用,作为该盒子的包装费用。

组合模式建议的解决方案

组合模式以递归方式处理对象树中的所有项目

该方式的最大优点在于你无需了解构成树状结构的对象的具体类。你也无需了解对象是简单的产品还是复杂的盒子。你只需调用通用接口以相同的方式对其进行处理即可。当你调用该方法后,对象会将请求沿着树结构传递下去。

真实世界类比

部队结构的例子

部队结构的例子。

大部分国家的军队都采用层次结构管理。每支部队包括几个师,师由旅构成,旅由团构成,团可以继续划分为排。最后,每个排由一小队实实在在的士兵组成。军事命令由最高层下达,通过每个层级传递,直到每位士兵都知道自己应该服从的命令。

组合模式结构

组合设计模式的结构组合设计模式的结构
  1. 组件(Component)接口描述了树中简单项目和复杂项目所共有的操作。

  2. 叶节点(Leaf)是树的基本结构,它不包含子项目。

    一般情况下,叶节点最终会完成大部分的实际工作,因为它们无法将工作指派给其他部分。

  3. 容器(Container)——又名组合(Composite”——是包含叶节点或其他容器等子项目的单位。容器不知道其子项目所属的具体类,它只通过通用的组件接口与其子项目交互。

    容器接收到请求后会将工作分配给自己的子项目,处理中间结果,然后将最终结果返回给客户端。

  4. 客户端(Client)通过组件接口与所有项目交互。因此,客户端能以相同方式与树状结构中的简单或复杂项目交互。

伪代码

在本例中,我们将借助组合模式帮助你在图形编辑器中实现一系列的几何图形。

组合模式示例的结构

几何形状编辑器示例。

组合图形Compound­Graphic是一个容器,它可以由多个包括容器在内的子图形构成。组合图形与简单图形拥有相同的方法。但是,组合图形自身并不完成具体工作,而是将请求递归地传递给自己的子项目,然后汇总结果。

通过所有图形类所共有的接口,客户端代码可以与所有图形互动。因此,客户端不知道与其交互的是简单图形还是组合图形。客户端可以与非常复杂的对象结构进行交互,而无需与组成该结构的实体类紧密耦合。

// 组件接口会声明组合中简单和复杂对象的通用操作。
interface Graphic is
    method move(x, y)
    method draw()

// 叶节点类代表组合的终端对象。叶节点对象中不能包含任何子对象。叶节点对象
// 通常会完成实际的工作,组合对象则仅会将工作委派给自己的子部件。
class Dot implements Graphic is
    field x, y

    constructor Dot(x, y) { ... }

    method move(x, y) is
        this.x += x, this.y += y

    method draw() is
        // 在坐标位置(X,Y)处绘制一个点。

// 所有组件类都可以扩展其他组件。
class Circle extends Dot is
    field radius

    constructor Circle(x, y, radius) { ... }

    method draw() is
        // 在坐标位置(X,Y)处绘制一个半径为 R 的圆。

// 组合类表示可能包含子项目的复杂组件。组合对象通常会将实际工作委派给子项
// 目,然后“汇总”结果。
class CompoundGraphic implements Graphic is
    field children: array of Graphic

    // 组合对象可在其项目列表中添加或移除其他组件(简单的或复杂的皆可)。
    method add(child: Graphic) is
        // 在子项目数组中添加一个子项目。

    method remove(child: Graphic) is
        // 从子项目数组中移除一个子项目。

    method move(x, y) is
        foreach (child in children) do
            child.move(x, y)

    // 组合会以特定的方式执行其主要逻辑。它会递归遍历所有子项目,并收集和
    // 汇总其结果。由于组合的子项目也会将调用传递给自己的子项目,以此类推,
    // 最后组合将会完成整个对象树的遍历工作。
    method draw() is
        // 1. 对于每个子部件:
        //     - 绘制该部件。
        //     - 更新边框坐标。
        // 2. 根据边框坐标绘制一个虚线长方形。


// 客户端代码会通过基础接口与所有组件进行交互。这样一来,客户端代码便可同
// 时支持简单叶节点组件和复杂组件。
class ImageEditor is
    method load() is
        all = new CompoundGraphic()
        all.add(new Dot(1, 2))
        all.add(new Circle(5, 3, 10))
        // ...

    // 将所需组件组合为复杂的组合组件。
    method groupSelected(components: array of Graphic) is
        group = new CompoundGraphic()
        group.add(components)
        all.remove(components)
        all.add(group)
        // 所有组件都将被绘制。
        all.draw()

组合模式适用性

如果你需要实现树状对象结构,可以使用组合模式。

组合模式为你提供了两种共享公共接口的基本元素类型:简单叶节点和复杂容器。容器中可以包含叶节点和其他容器。这使得你可以构建树状嵌套递归对象结构。

如果你希望客户端代码以相同方式处理简单和复杂元素,可以使用该模式。

组合模式中定义的所有元素共用同一个接口。在这一接口的帮助下,客户端不必在意其所使用的对象的具体类。

实现方式

  1. 确保应用的核心模型能够以树状结构表示。尝试将其分解为简单元素和容器。记住,容器必须能够同时包含简单元素和其他容器。

  2. 声明组件接口及其一系列方法,这些方法对简单和复杂元素都有意义。

  3. 创建一个叶节点类表示简单元素。程序中可以有多个不同的叶节点类。

  4. 创建一个容器类表示复杂元素。在该类中,创建一个数组成员变量来存储对于其子元素的引用。该数组必须能够同时保存叶节点和容器,因此请确保将其声明为组合接口类型。

    实现组件接口方法时,记住容器应该将大部分工作交给其子元素来完成。

  5. 最后,在容器中定义添加和删除子元素的方法。

    记住,这些操作可在组件接口中声明。这将会违反接口隔离原则,因为叶节点类中的这些方法为空。但是,这可以让客户端无差别地访问所有元素,即使是组成树状结构的元素。

组合模式优缺点

  • 你可以利用多态和递归机制更方便地使用复杂树结构。
  • 开闭原则。无需更改现有代码,你就可以在应用中添加新元素,使其成为对象树的一部分。
  • 对于功能差异较大的类,提供公共接口或许会有困难。在特定情况下,你需要过度一般化组件接口,使其变得令人难以理解。

与其他模式的关系

  • 桥接模式状态模式策略模式(在某种程度上包括适配器模式)模式的接口非常相似。实际上,它们都基于组合模式——即将工作委派给其他对象,不过也各自解决了不同的问题。模式并不只是以特定方式组织代码的配方,你还可以使用它们来和其他开发者讨论模式所解决的问题。

  • 你可以在创建复杂组合树时使用生成器模式,因为这可使其构造步骤以递归的方式运行。

  • 责任链模式通常和组合模式结合使用。在这种情况下,叶组件接收到请求后,可以将请求沿包含全体父组件的链一直传递至对象树的底部。

  • 你可以使用迭代器模式来遍历组合树。

  • 你可以使用访问者模式对整个组合树执行操作。

  • 你可以使用享元模式实现组合树的共享叶节点以节省内存。

  • 组合装饰模式的结构图很相似,因为两者都依赖递归组合来组织无限数量的对象。

    装饰类似于组合,但其只有一个子组件。此外还有一个明显不同:装饰为被封装对象添加了额外的职责,组合仅对其子节点的结果进行了求和

    但是,模式也可以相互合作:你可以使用装饰来扩展组合树中特定对象的行为。

  • 大量使用组合装饰的设计通常可从对于原型模式的使用中获益。你可以通过该模式来复制复杂结构,而非从零开始重新构造。

代码示例

组合 在 Java 中的实现 组合 在 C# 中的实现 组合 在 PHP 中的实现 组合 在 Python 中的实现 组合 在 Ruby 中的实现 组合 在 Swift 中的实现 组合 在 TypeScript 中的实现