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.Net結構型設計模式之組合模式(Composite)

2022-05-25 18:00:25

一、動機(Motivate)

在我們的作業系統中有資料夾的概念,資料夾可以包含資料夾,可以巢狀多層,最裡面包含的是檔案,這個概念和“俄羅斯套娃”很像。當然還有很多的例子,例如我們使用系統的時候,會使用到“系統選單”,這個東西是樹形結構。這些例子包含的這些東西或者說是物件,可以分為兩類,一類是:容器物件,可以包含其他的子物件;另一類是:葉子物件,這類物件是不能在包含其他物件的物件了。在軟體設計中,我們該怎麼處理這種情況呢?是每類物件分別對待,還是提供一個統一的操作方式呢。組合模式給我們提供了一種解決此類問題的一個途徑。   

客戶程式碼過多地依賴於物件容器(物件容器是物件的容器,細細評味)複雜的內部實現結構,物件容器內部實現結構(而非抽象介面)的變化將引起客戶程式碼的頻繁變化,帶來了程式碼的維護性、擴充套件性等方面的弊端。如何將“客戶程式碼與複雜的物件容器結構”解耦?如何讓物件容器自己來實現自身的複雜結構,從而使得客戶程式碼就像處理簡單物件一樣來處理複雜的物件容器?

二、意圖(Intent)

將物件組合成樹形結構以表示“部分-整體”的層次結構。Composite使得使用者對單個物件和組合物件的使用具有一致性。        ——  《設計模式》GoF

三、結構圖(Structure)

四、模式的組成

組合模式中涉及到三個角色:
(1)、抽象構件角色(Component):這是一個抽象角色,它給參加組合的物件定義出了公共的介面及預設行為,可以用來管理所有的子物件(在透明式的組合模式是這樣的)。在安全式的組合模式裡,構件角色並不定義出管理子物件的方法,這一定義由樹枝結構物件給出。
(2)、樹葉構件角色(Leaf):樹葉物件是沒有下級子物件的物件,定義出參加組合的原始物件的行為。(原始物件的行為可以理解為沒有容器物件管理子物件的方法,或者 【原始物件行為】+【管理子物件的行為(Add,Remove等)】=面對客戶程式碼的介面行為集合)
(3)、樹枝構件角色(Composite):代表參加組合的有下級子物件的物件,樹枝物件給出所有管理子物件的方法實現,如Add、Remove等。
組合模式實現的最關鍵的地方是——簡單物件和複合物件必須實現相同的介面。這就是組合模式能夠將組合物件和簡單物件進行一致處理的原因。

五、組合模式的具體程式碼實現

組合模式有兩種實現方式,一種是:透明式的組合模式,另外一種是:安全式的組合模式

1、透明式的組合模式

指“抽象構件角色”定義的介面行為集合包含兩個部分,一部分是葉子物件本身所包含的行為(比如Operation),另外一部分是容器物件本身所包含的管理子物件的行為(Add,Remove)。這個抽象構件必須同時包含這兩類物件所有的行為,使用者端程式碼才會透明的使用,無論呼叫容器物件還是葉子物件,介面方法都是一樣的,這就是透明,針對使用者端程式碼的透明。

/// <summary>
/// 該抽象類就是資料夾抽象介面的定義,該型別就相當於是抽象構件Component型別
/// </summary>
public abstract class Folder
{
    public abstract void Add(Folder folder);//增加資料夾或檔案
    public abstract void Remove(Folder folder);//刪除資料夾或者檔案
    public abstract void Open();    //開啟檔案或者資料夾--該操作相當於Component型別的Operation方法
}

/// <summary>
/// 該Word檔案類就是葉子構件的定義,該型別就相當於是Leaf型別,不能在包含子物件
/// </summary>
public sealed class Word : Folder
{
    public override void Add(Folder folder)//增加資料夾或檔案
    {
        throw new Exception("Word檔案不具有該功能");
    }

    public override void Remove(Folder folder)//刪除資料夾或者檔案
    {
        throw new Exception("Word檔案不具有該功能");
    }

    public override void Open()//開啟檔案--該操作相當於Component型別的Operation方法
    {
        Console.WriteLine("開啟Word檔案,開始進行編輯");
    }
}

/// <summary>
/// SonFolder型別就是樹枝構件,由於我們使用的是「透明式」,所以Add,Remove都是從Folder型別繼承下來的
/// </summary>
public class SonFolder : Folder
{
    public override void Add(Folder folder)//增加資料夾或檔案
    {
        Console.WriteLine("檔案或者資料夾已經增加成功");
    }

    public override void Remove(Folder folder)//刪除資料夾或者檔案
    {
        Console.WriteLine("檔案或者資料夾已經刪除成功");
    }

    public override void Open()//開啟資料夾--該操作相當於Component型別的Operation方法
    {
        Console.WriteLine("已經開啟當前資料夾");
    }
}

public class Program
{
    static void Main()
    {
        Folder myword = new Word();
        myword.Open();//開啟檔案,處理檔案
        myword.Add(new SonFolder());//丟擲異常
        myword.Remove(new SonFolder());//丟擲異常

        Folder myfolder = new SonFolder();
        myfolder.Open();//開啟資料夾
        myfolder.Add(new SonFolder());//成功增加檔案或者資料夾
        myfolder.Remove(new SonFolder());//成功刪除檔案或者資料夾
    }
}

2、安全式的組合模式

指“抽象構件角色”只定義葉子物件的方法,確切的說這個抽象構件只定義兩類物件共有的行為,然後容器物件的方法定義在“樹枝構件角色”上,這樣葉子物件有葉子物件的方法,容器物件有容器物件的方法,這樣責任很明確,當然呼叫肯定不會丟擲異常了。

/// <summary>
/// 該抽象類就是資料夾抽象介面的定義,該型別就相當於是抽象構件Component型別
/// </summary>
public abstract class Folder //該型別少了容器物件管理子物件的方法的定義,換了地方,在樹枝構件也就是SonFolder型別
{
    public abstract void Open();  //開啟檔案或者資料夾--該操作相當於Component型別的Operation方法
}

/// <summary>
/// 該Word檔案類就是葉子構件的定義,該型別就相當於是Leaf型別,不能在包含子物件
/// </summary>
public sealed class Word : Folder  //這型別現在很乾淨
{
    public override void Open() //開啟檔案--該操作相當於Component型別的Operation方法
    {
        Console.WriteLine("開啟Word檔案,開始進行編輯");
    }
}

/// <summary>
/// SonFolder型別就是樹枝構件,現在由於我們使用的是「安全式」,所以Add,Remove都是從此處開始定義的
/// </summary>
public abstract class SonFolder : Folder //這裡可以是抽象介面,可以自己根據自己的情況而定
{
    public abstract void Add(Folder folder); //增加資料夾或檔案
    public abstract void Remove(Folder folder); //刪除資料夾或者檔案
    public override void Open()//開啟資料夾--該操作相當於Component型別的Operation方法
    {
        Console.WriteLine("已經開啟當前資料夾");
    }
}

/// <summary>
/// NextFolder型別就是樹枝構件的實現類
/// </summary>
public sealed class NextFolder : SonFolder
{
    public override void Add(Folder folder)//增加資料夾或檔案
    {
        Console.WriteLine("檔案或者資料夾已經增加成功");
    }

    public override void Remove(Folder folder) //刪除資料夾或者檔案
    {
        Console.WriteLine("檔案或者資料夾已經刪除成功");
    }

    public override void Open()//開啟資料夾--該操作相當於Component型別的Operation方法
    {
        Console.WriteLine("已經開啟當前資料夾");
    }
}

public class Program
{
    static void Main()
    {
        Folder myword = new Word();//這是安全的組合模式
        myword.Open();//開啟檔案,處理檔案
        Folder myfolder = new NextFolder();
        myfolder.Open();//開啟資料夾

        //此處要是用增加和刪除功能,需要轉型的操作,否則不能使用
        ((SonFolder)myfolder).Add(new NextFolder());//成功增加檔案或者資料夾
        ((SonFolder)myfolder).Remove(new NextFolder());//成功刪除檔案或者資料夾
    }
}

六、組合模式的實現要點:

1、Composite模式採用樹形結構來實現普遍存在的物件容器,從而將“一對多”的關係轉化為“一對一”的關係,使得客戶程式碼可以一致地處理物件和物件容器,無需關心處理的是單個的物件,還是組合的物件容器。
2、將“客戶程式碼與複雜的物件容器結構”解耦是Composite模式的核心思想,解耦之後,客戶程式碼將與純粹的抽象介面——而非物件容器的複雜內部實現結構——發生依賴關係,從而更能“應對變化”。
3、Composite模式中,是將“Add和Remove等和物件容器相關的方法”定義在“表示抽象物件的Component類”中,還是將其定義在“表示物件容器的Composite類”中,是一個關乎“透明性”和“安全性”的兩難問題,需要仔細權衡。這裡有可能違揹物件導向的“單一職責原則”,但是對於這種特殊結構,這又是必須付出的代價。ASP.Net控制元件的實現在這方面為我們提供了一個很好的示範。
4、Composite模式在具體實現中,可以讓父物件中的子物件反向追朔;如果父物件有頻繁的遍歷需求,可使用快取技巧來改善效率。

組合模式的優點:

(1)、組合模式使得使用者端程式碼可以一致地處理物件和物件容器,無需關係處理的單個物件,還是組合的物件容器。
(2)、將”客戶程式碼與複雜的物件容器結構“解耦。
(3)、可以更容易地往組合物件中加入新的構件。

組合模式的缺點:

使得設計更加複雜。使用者端需要花更多時間理清類之間的層次關係。(這個是幾乎所有設計模式所面臨的問題)。

在以下情況下應該考慮使用組合模式:

(1)、需要表示一個物件整體或部分的層次結構。
(2)、希望使用者忽略組合物件與單個物件的不同,使用者將統一地使用組合結構中的所有物件。

七、.NET 中組合模式的實現

其實組合模式在FCL裡面運用還是很多的,不知道大家是不是有所感覺,這個模式大多數是運用在控制元件上或者是和介面操作、展示相關的操作上。這個模式在.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,都為這兩個平臺提供了很多現有的控制元件,然而System.Windows.Forms.dll中System.Windows.Forms.Control類就應用了組合模式,因為控制元件包括Label、TextBox等這樣的簡單控制元件,這些控制元件可以理解為葉子物件,同時也包括GroupBox、DataGrid這樣複合的控制元件或者叫容器控制元件,每個控制元件都需要呼叫OnPaint方法來進行控制元件顯示,為了表示這種物件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(確切地說應用了透明式的組合模式)。

到此這篇關於.Net結構型設計模式之組合模式(Composite)的文章就介紹到這了。希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支援it145.com。


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