「软件设计模式」组合模式（Composite）

软件设计模式探秘：组合模式 - 树形结构的艺术

一、模式思想剖析

组合模式（Composite Pattern）是处理树形结构的利器，它将对象组合成树形结构以表示"部分-整体"的层次结构。这种模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性，是GUI开发、文件系统等场景的经典解决方案。

核心优势：

1. 统一接口：叶子节点与组合对象使用相同接口
2. 递归组合：支持无限嵌套的树形结构
3. 简化客户端：用户无需区分处理不同节点类型

二、模式结构解析

关键角色：

1. Component（抽象构件）
2. Leaf（叶子构件）
3. Composite（复合构件）

三、C++实战：文件系统模拟

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

// 抽象构件类
class FileSystemComponent {
public:
    virtual ~FileSystemComponent() = default;
    virtual void add(std::shared_ptr<FileSystemComponent> component) {}
    virtual void remove(std::shared_ptr<FileSystemComponent> component) {}
    virtual void display(int depth = 0) const = 0;
};

// 叶子构件：文件
class File : public FileSystemComponent {
public:
    explicit File(const std::string& name) : name_(name) {}

    void display(int depth = 0) const override {
        std::cout << std::string(depth * 2, ' ') << "📄 " << name_ << std::endl;
    }

private:
    std::string name_;
};

// 复合构件：目录
class Directory : public FileSystemComponent {
public:
    explicit Directory(const std::string& name) : name_(name) {}

    void add(std::shared_ptr<FileSystemComponent> component) override {
        children_.push_back(component);
    }

    void remove(std::shared_ptr<FileSystemComponent> component) override {
        children_.erase(std::remove(children_.begin(), children_.end(), component), children_.end());
    }

    void display(int depth = 0) const override {
        std::cout << std::string(depth * 2, ' ') << "📁 " << name_ << std::endl;
        for (const auto& child : children_) {
            child->display(depth + 1);
        }
    }

private:
    std::string name_;
    std::vector<std::shared_ptr<FileSystemComponent>> children_;
};

// 客户端使用
int main() {
    auto root = std::make_shared<Directory>("Root");

    auto docs = std::make_shared<Directory>("Documents");
    auto docs1 = std::make_shared<Directory>("EmptyDocs");
    auto music = std::make_shared<Directory>("Music");

    auto file1 = std::make_shared<File>("readme.txt");
    auto file2 = std::make_shared<File>("song.mp3");

    root->add(docs);
    docs->add(docs1);
    root->add(music);
    docs->add(file1);
    music->add(file2);

    // 递归显示整个结构
    root->display();

    return 0;
}

执行结果：

📁 Root
  📁 Documents
    📁 EmptyDocs
    📄 readme.txt
  📁 Music
    📄 song.mp3

四、模式深度分析

优点：

1. 简化客户端代码：统一处理逻辑
2. 扩展性强：轻松添加新构件类型
3. 灵活结构：支持动态组合

缺点：

1. 接口设计挑战：需要权衡透明性与安全性
2. 类型检查问题：可能需要运行时类型判断

五、典型应用场景

1. GUI组件系统：窗口包含面板，面板包含按钮
2. 组织架构管理：部门与员工的层级结构
3. 数学表达式处理：组合操作数和运算符
4. 游戏场景图：管理嵌套的3D对象

六、模式进阶思考

透明式VS安全式：

• 透明式：统一接口但需要处理空方法
• 安全式：接口分离但失去透明性

内存管理技巧：

• 使用智能指针自动管理生命周期
• 注意循环引用问题（weak_ptr解决）

七、总结

        组合模式通过树形结构实现对象容器与内容的解耦，在保持类型透明性的同时简化了复杂结构的操作。当系统需要处理具有递归层次结构的对象时，组合模式能显著提高代码的可维护性和扩展性。