设计模式Python版 组合模式

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前言

GOF设计模式分三大类：

• 创建型模式：关注对象的创建过程，包括单例模式、简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、原型模式和建造者模式。
• 结构型模式：关注类和对象之间的组合，包括适配器模式、桥接模式、组合模式、装饰模式、外观模式、享元模式和代理模式。
• 行为型模式：关注对象之间的交互，包括职责链模式、命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、策略模式、模板方法模式和访问者模式。

一、组合模式

组合模式（Composite Pattern）

• 定义：组合多个对象形成树形结构以表示具有“部分—整体”关系的层次结构。组合模式对单个对象（即叶子对象）和组合对象（即容器对象）的使用具有一致性，又可以称为“部分—整体”（Part-Whole）模式。

• 解决问题：如何使用面向对象的方式来处理软件系统中的树形结构？

• 使用场景：

  • 在具有整体和部分的层次结构中，希望通过一种方式忽略整体与部分的差异，客户端可以一致性地对待它们。
  • 在一个使用面向对象语言开发的系统中需要处理一个树形结构。
  • 在一个系统中能够分离出叶子对象和容器对象，而且它们的类型不固定，将来需要增加一些新的类型。
  • 在XML解析、组织结构树处理、文件系统设计等领域，组合模式都得到了广泛应用。

• 组成：

  • 抽象构件（Component）：它是所有容器类和叶子类的公共父类，为叶子构件和容器构件对象声明接口。一般将抽象构件类设计为接口或抽象类，将所有子类共有方法的声明和实现放在抽象构件类中。对于客户端而言，将针对抽象构件编程，而无须关心其具体子类是容器构件还是叶子构件。
  • 叶子构件（Leaf）：代表组合结构中的叶节点对象，叶节点对象不再包含子节点。
  • 容器构件（Composite）：它在组合模式结构中表示容器节点对象。容器节点包含子节点，其子节点可以是叶子节点，也可以是容器节点。用列表实现容器构件。

• 补充说明

  • 组合模式的关键是定义了一个抽象构件类，它既可以代表叶子，又可以代表容器。客户端针对该抽象构件类进行编程，无须知道它到底表示的是叶子还是容器，可以对其进行统一处理。
  • 容器对象与抽象构件类之间还建立一个聚合关联关系，在容器对象中既可以包含叶子，也可以包含容器，以此实现递归组合，形成一个树形结构。

• 优点：

  • 组合模式可以清楚地定义分层次的复杂对象，表示对象的全部或部分层次。客户端无须关心节点的层次结构，可以对所选节点进行统一处理，提高系统的灵活性。
  • 将容器对象和叶子对象进行递归组合，实现简单，灵活性好，使用频率较高。
  • 在组合模式中增加新的容器构件和叶子构件都很方便，无须对现有类库进行任何修改，符合开闭原则。
  • 组合模式为树形结构的面向对象实现提供了一种灵活的解决方案。

• 缺点：

  • 在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。

二、组合模式实现方式

实现方式一：透明组合模式

• 根据抽象构件类的定义形式，可将组合模式分为透明组合模式和安全组合模式两种形式。
• 抽象构件Component中声明了所有用于管理成员对象的方法，包括add（）、remove（）以及getChild（）等方法
• 透明组合模式结构图

实现方式二：安全组合模式

• 抽象构件Component中没有声明任何用于管理成员对象的方法，而是在Composite类中声明并实现这些方法。
• 安全组合模式结构图

三、组合模式示例

使用透明组合模式来进行杀毒软件的框架设计

• AbstractFile充当抽象构件类，Folder充当容器构件类，ImageFile、TextFile和VideoFile充当叶子构件类

"""抽象构件"""class AbstracFile:def add(self, file):raise NotImplementedErrordef remove(self, file):raise NotImplementedErrordef kill_virus(self):raise NotImplementedError"""容器构件"""class Folder(AbstracFile):def __init__(self, name):self.name = nameself.file_list: list[AbstracFile] = []def add(self, file):self.file_list.append(file)def remove(self, file):if file in self.file_list:self.file_list.remove(file)def kill_virus(self):# 模拟杀毒print(f"——对文件夹 {self.name} 进行杀毒")# 循环调用成员构件的业务方法for i in self.file_list:i.kill_virus()"""叶子构件"""class ImageFile(AbstracFile):def __init__(self, name):self.name = namedef kill_virus(self):# 模拟杀毒print(f"——对图像文件 {self.name} 进行杀毒")class TextFile(AbstracFile):def __init__(self, name):self.name = namedef kill_virus(self):# 模拟杀毒print(f"——对文本文件 {self.name} 进行杀毒")class VideoFile(AbstracFile):def __init__(self, name):self.name = namedef kill_virus(self):# 模拟杀毒print(f"——对视频文件 {self.name} 进行杀毒")

客户端代码

# 针对抽象构件编程
folder1 = Folder("张三的资料")
folder2 = Folder("图像文件")
folder3 = Folder("文本文件")
folder4 = Folder("视频文件")file1 = ImageFile("《洛神赋图》.gif")
file2 = ImageFile("《清明上河图》.jpg")
file3 = TextFile("《分析与设计》.txt")
file4 = TextFile("《设计模式》.doc")
file5 = VideoFile("《西游记》.rmvb")folder2.add(file1)
folder2.add(file2)
folder3.add(file3)
folder3.add(file4)
folder4.add(file5)
folder1.add(folder2)
folder1.add(folder3)
folder1.add(folder4)folder1.kill_virus()
# 也可以创建图形化界面让用户选择所需操作的根节点，无须修改源代码，符合开闭原则。
# folder2.kill_virus()

输出结果

——对文件夹 张三的资料 进行杀毒
——对文件夹 图像文件 进行杀毒
——对图像文件 《洛神赋图》.gif 进行杀毒   
——对图像文件 《清明上河图》.jpg 进行杀毒 
——对文件夹 文本文件 进行杀毒
——对文本文件 《分析与设计》.txt 进行杀毒 
——对文本文件 《设计模式》.doc 进行杀毒   
——对文件夹 视频文件 进行杀毒
——对视频文件 《西游记》.rmvb 进行杀毒  

四、组合模式在Django中的应用

Django 的 admin 界面允许用户以树形结构来组织模型。例如，一个 Group 可以包含多个 User，而 User 又可以属于多个 Group。在 admin 界面中，这种关系可以用组合模式来实现，其中 Group 可以看作是组合对象，而 User 可以看作是叶节点。

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