C# 設計模式實戰：組合模式構建樹狀結構的通用遞歸

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組合模式將物件組合成樹狀結構以表示「部分-整體」層次，讓客戶端以統一介面處理單一物件與組合物件。本文以「檔案系統（資料夾/檔案）」為經典場景，展示 C# 實作要點，並探討如何避免常見陷阱。

核心概念：統一介面下的遞歸結構

Component（抽象元件）：定義共同介面 Add/Remove/Display
Leaf（葉子節點）：檔案，無子節點，Add/Remove 拋異常或無視
Composite（合成節點）：資料夾，內部維護子元件集合，遞歸實作 Display

完整代碼實作

1. 抽象基類


using System;
using System.Collections;

public abstract class FileSystemElement
{
    protected string _name;

    protected FileSystemElement(string name) => _name = name;

    public abstract void Add(FileSystemElement element);
    public abstract void Remove(FileSystemElement element);
    public abstract void Display(int depth = 0);
}

2. 葉子節點：檔案


public class FileElement : FileSystemElement
{
    public FileElement(string name) : base(name) { }

    public override void Add(FileSystemElement element)
        => Console.WriteLine($"Cannot add to a file: {_name}");

    public override void Remove(FileSystemElement element)
        => Console.WriteLine($"Cannot remove from a file: {_name}");

    public override void Display(int depth = 0)
        => Console.WriteLine($"{new string(' ', depth * 2)}📄 {_name}");
}

3. 合成節點：資料夾


public class FolderElement : FileSystemElement
{
    private readonly ArrayList _children = new ArrayList();

    public FolderElement(string name) : base(name) { }

    public override void Add(FileSystemElement element)
        => _children.Add(element);

    public override void Remove(FileSystemElement element)
        => _children.Remove(element);

    public override void Display(int depth = 0)
    {
        Console.WriteLine($"{new string(' ', depth * 2)}📁 {_name}");
        foreach (FileSystemElement child in _children)
            child.Display(depth + 1);
    }
}

4. 客戶端測試


class Program
{
    static void Main()
    {
        var root = new FolderElement("Z:/");
        var games = new FolderElement("Games/");

        games.Add(new FileElement("cstrike.exe"));
        games.Add(new FileElement("hl2.exe"));
        root.Add(games);

        var docs = new FolderElement("Documents/");
        docs.Add(new FileElement("resume.pdf"));
        root.Add(docs);

        root.Display();
        Console.ReadKey();
    }
}

輸出結果

📁 Z:/
  📁 Games/
    📄 cstrike.exe
    📄 hl2.exe
  📁 Documents/
    📄 resume.pdf

關鍵設計決策與陷阱規避

1. Add/Remove 放在 Component 還是 Composite？

放在 Component（GoF 原版）：客戶端統一介面，但 Leaf 需拋異常/無視，違反介面隔離原則
僅放在 Composite：類型安全，但客戶端需轉型，失去透明性
建議：現代 C# 採用介面隔離——IComposite 定義 Add/Remove，IFileSystemElement 僅定義 Display，Leaf 不實作 IComposite

2. 子元件集合選型

集合類型	優點	缺點
ArrayList / List<T>	簡單、隨機存取	頻繁插刪效率低
LinkedList<T>	插刪 O(1)	無隨機存取、記憶體開銷大
Dictionary<string, T>	按名稱快速查找	順序不穩定、鍵不可重複

一般場景 List<FileSystemElement> 足夠；需高效查找時改 Dictionary。

3. 雙向導航：父節點引用

若需「從檔案找資料夾路徑」，在 Add 時設定 element.Parent = this，但要小心循環引用與序列化問題。

4. 迭代器模式解耦遍歷邏輯


public interface ITreeIterator
{
    bool MoveNext();
    FileSystemElement Current { get; }
}

public class DepthFirstIterator : ITreeIterator { ... }
public class BreadthFirstIterator : ITreeIterator { ... }

將遍歷策略外部化，符合單一職責原則。

現代 C# 改良版：泛型 + 介面隔離 + 模式匹配


public interface IFileSystemNode
{
    string Name { get; }
    void Display(string indent = "");
}

public interface IContainer : IFileSystemNode
{
    void Add(IFileSystemNode node);
    void Remove(IFileSystemNode node);
    IReadOnlyList Children { get; }
}

public class FileNode : IFileSystemNode
{
    public string Name { get; }
    public FileNode(string name) => Name = name;
    public void Display(string indent = "") => Console.WriteLine($"{indent}📄 {Name}");
}

public class FolderNode : IContainer
{
    public string Name { get; }
    private readonly List _children = new();
    public FolderNode(string name) => Name = name;
    public void Add(IFileSystemNode node) => _children.Add(node);
    public void Remove(IFileSystemNode node) => _children.Remove(node);
    public IReadOnlyList Children => _children.AsReadOnly();
    public void Display(string indent = "")
    {
        Console.WriteLine($"{indent}📁 {Name}");
        foreach (var child in _children) child.Display(indent + "  ");
    }
}