Python设计模式 - 组合模式

定义

组合模式（Composite Pattern）是一种结构型设计模式，主要意图是将对象组织成树形结构以表示"部分-整体"的层次结构。这种模式能够使客户端统一对待单个对象和组合对象，从而简化了客户端代码。

组合模式有透明组合模式和安全组合模式两种，下面分别介绍这两种模式。

透明组合模式

结构

在这里插入图片描述

组件（Component）：组件是组合中的抽象类或接口，它声明了叶子节点和组合节点的公共接口，以确保客户端可以统一对待单个对象和组合对象。组件通常包含一些操作方法，如添加子节点、删除子节点、获取子节点等。
叶子节点（Leaf）：叶子节点是组合中的叶子对象，它没有子节点。叶子节点实现了组件接口，并提供了具体的操作方法。叶子节点表示组合中的最小单元，是组合结构中不可再分的基本元素。
组合节点（Composite）：组合节点是组合中的复合对象，它可以包含其他组件作为子节点。组合节点也实现了组件接口，并提供了与叶子节点相同的操作方法。组合节点表示组合结构中的内部节点，可以包含其他子节点。

应用场景

树形结构表示：当你的问题领域可以自然地表示为树形结构时，透明组合模式是一个很好的选择。例如，文件系统、组织结构等都可以使用透明组合模式来表示。
部分-整体关系：当你的问题领域中存在明显的部分-整体关系时，透明组合模式可以帮助你更好地表示和处理这种关系。例如，产品和其部件、图形和其组成元素等都可以使用透明组合模式来表示。

优缺点

优点：

简化客户端代码：透明组合模式使客户端能够统一对待单个对象和组合对象，从而简化了客户端代码。客户端不需要关心对象的具体类型，而是统一使用相同的接口来操作对象。
灵活性：透明组合模式允许你在运行时动态地添加、移除和修改对象的组合结构，从而提供了更大的灵活性。你可以方便地调整对象之间的层次关系，以满足不同的需求。
可扩展性：由于透明组合模式将叶子节点和组合节点都视为相同类型的对象，因此很容易添加新的节点类型，而不会影响到现有的代码。这提高了系统的可扩展性。

缺点：

限制性：透明组合模式要求叶子节点和组合节点实现相同的接口，这可能会限制叶子节点和组合节点的设计和扩展。有时候，这种限制可能会影响到系统的设计和灵活性。
性能问题：组合模式可能会带来一些性能问题，特别是在处理大型的对象组合结构时的遍历性能。这包括遍历性能、内存占用等方面的问题，可能会影响系统的性能表现。

代码示例

from abc import ABC, abstractmethod


# 抽象组件类
class Component(ABC):
    @abstractmethod
    def add(self, component):
        pass

    @abstractmethod
    def remove(self, component):
        pass

    @abstractmethod
    def scan(self):
        pass


# 叶子节点类：文件
class File(Component):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def add(self, component):
        raise NotImplementedError('文件不支持添加子组件')

    def remove(self, component):
        raise NotImplementedError('文件不支持移除子组件')

    def scan(self):
        print("正在扫描文件:", self.name)


# 组合节点类：文件夹
class Folder(Component):
    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 scan(self):
        print("正在扫描文件夹:", self.name)
        for child in self.children:
            child.scan()


# 客户端代码
if __name__ == "__main__":
    # 创建文件和文件夹对象
    file1 = File("file1.txt")
    file2 = File("file2.txt")
    folder1 = Folder("folder1")
    folder2 = Folder("folder2")

    # 将文件添加到文件夹中
    folder1.add(file1)
    folder2.add(file2)

    # 将文件夹添加到文件夹中
    root_folder = Folder("root")
    root_folder.add(folder1)
    root_folder.add(folder2)

    # 扫描根文件夹
    root_folder.scan()

安全组合模式

安全组合模式是组合模式的一种变体，它与透明组合模式相比，区别在于它将管理子节点的方法从抽象组件中移除，使得叶子节点和组合对象的接口不再相同，从而更加安全。

结构

在这里插入图片描述

Component（组件）：定义了叶子节点和组合对象的公共接口，可以包含一些默认的行为。这个接口通常包括操作方法，如 operation()，但不包括管理子节点的方法。
Leaf（叶子节点）：表示组合中的叶子对象，没有子节点，实现了 Component 接口。通常，叶子节点执行最终的操作。
Composite（组合对象）：表示组合中的容器对象，可以包含子节点，也实现了 Component 接口。它负责管理子节点，包括添加、删除和获取子节点等操作。

应用场景

使用场景和透明组合模式一样：

树形结构表示：当你的问题领域可以自然地表示为树形结构时，透明组合模式是一个很好的选择。例如，文件系统、组织结构等都可以使用透明组合模式来表示。
部分-整体关系：当你的问题领域中存在明显的部分-整体关系时，透明组合模式可以帮助你更好地表示和处理这种关系。例如，产品和其部件、图形和其组成元素等都可以使用透明组合模式来表示。

如何选择使用透明组合模式还是安全组合模式：

对于简单的情况和对接口一致性要求较高的情况，透明组合模式可能更为适用。而对于复杂的情况和对接口分离性要求较高的情况，安全组合模式可能更为合适，因为它可以明确区分组合对象和叶子对象的接口，提高了安全性和灵活性。

优缺点

优点：

接口隔离性强：安全组合模式明确区分了组合对象和叶子对象的接口，使得客户端只能通过组合对象来操作子节点，从而提高了接口的隔离性。
安全性高：由于叶子对象的接口不再包含管理子节点的方法，安全组合模式可以更好地防止客户端直接对叶子对象进行不安全的操作，从而提高了系统的安全性。
灵活性增强：安全组合模式允许组合对象和叶子对象的接口可以根据实际需求进行灵活设计，使得系统更容易扩展和维护。

缺点：

使用复杂度增加：相比于透明组合模式，安全组合模式引入了额外的接口和方法，可能会增加系统的使用复杂度和理解成本。
性能问题：组合模式可能会带来一些性能问题，特别是在处理大型的对象组合结构时的遍历性能。这包括遍历性能、内存占用等方面的问题，可能会影响系统的性能表现。

代码示例

from abc import ABC, abstractmethod


# 抽象组件类
class Component(ABC):
    @abstractmethod
    def scan(self):
        pass


# 叶节点类：文件
class File(Component):
    def __init__(self, name):
        self.name = name

    def scan(self):
        print("正在扫描文件:", self.name)


# 组合节点类：文件夹
class Folder(Component):
    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 scan(self):
        print("正在扫描文件夹:", self.name)
        for child in self.children:
            child.scan()


# 客户端代码
if __name__ == "__main__":
    # 创建文件和文件夹对象
    file1 = File("file1.txt")
    file2 = File("file2.txt")
    folder1 = Folder("folder1")
    folder2 = Folder("folder2")

    # 将文件添加到文件夹中
    folder1.add(file1)
    folder2.add(file2)

    # 将文件夹添加到文件夹中
    root_folder = Folder("root")
    root_folder.add(folder1)
    root_folder.add(folder2)

    # 扫描根文件夹
    root_folder.scan()