C++ 設計模式：組合模式深度解析——樹形結構的統一處理

模式定義

組合模式：將對象組合成樹形結構以表示「部分-整體」層次。使客戶端對單個對象和組合對象的使用具有一致性。屬於結構型模式。

核心場景：遞歸樹形結構

• 文件系統：目錄包含子目錄/文件，目錄又包含子目錄/文件...
• 公司組織：公司包含部門，部門包含子部門/員工。
• GUI 控件：容器包含子控件，子控件可能是容器。

三大角色

• Component：抽象構件，聲明公共接口 operation()、add()、remove()、getChild()。
• Leaf：葉子構件，實現 operation()，add/remove/getChild 拋異常或空實現。
• Composite：容器構件，維護子構件列表，實現 add/remove/getChild，operation() 遞歸調用子構件。

代碼實現

class Component {
public:
    virtual ~Component() {}
    virtual void operation() = 0;
    virtual void add(Component* c) { throw runtime_error("Not supported"); }
    virtual void remove(Component* c) { throw runtime_error("Not supported"); }
    virtual Component* getChild(size_t idx) { return nullptr; }
};

class Leaf : public Component {
public:
    void operation() override { cout << "Leaf\n"; }
};

class Composite : public Component {
    vector children;
public:
    ~Composite() { for (auto c : children) delete c; }
    void operation() override {
        cout << "Composite (children: " << children.size() << ")\n";
        for (auto c : children) c->operation();
    }
    void add(Component* c) override { children.push_back(c); }
    void remove(Component* c) override {
        auto it = find(children.begin(), children.end(), c);
        if (it != children.end()) children.erase(it);
    }
    Component* getChild(size_t idx) override {
        return (idx < children.size()) ? children[idx] : nullptr;
    }
};

// 使用
int main() {
    Component* root = new Composite();
    root->add(new Composite());
    root->add(new Leaf());
    root->getChild(0)->add(new Leaf());
    root->getChild(0)->add(new Leaf());
    root->operation();
    delete root;
}

關鍵設計決策：透明式 vs 安全式

本文代碼採用透明式（GoF 推薦），利用異常/空實現處理葉子不支持的操作。

UML 類圖

Component <|-- Leaf
Component <|-- Composite
Composite o-- Component (children)

優缺點

• 優點：簡化客戶端代碼（統一接口）、易於添加新構件類型、天然適合遞歸結構。
• 缺點：設計過於泛化（葉子也有 add）、難以限制容器中允許的子構件類型、運行時才發現調用錯誤。

適用場景

1. 表示對象的「部分-整體」層次結構。
2. 客戶端希望統一對待單個對象和組合對象。
3. 樹形結構且操作可遞歸定義（如遍歷、序列化、權限計算）。

經典應用

• Java Swing / C# WinForms / Qt：Container 繼承 Component。
• 文件系統：Directory 和 File 實現共同接口。
• 組織架構、菜單系統、XML/JSON 節點樹。

總結

組合模式將遞歸數據結構映射為遞歸類結構。核心：Component 定義統一接口，Leaf 實現基本行為，Composite 遞歸委託子構件。透明式雖讓葉子背負無用方法，但換來客戶端代碼極致簡潔，是經典權衡。