注意：复现代码时，确保 VS2022 使用 C++17/20 标准以支持现代特性。
树形结构的统一操作接口
1. 模式定义与用途
核心思想
- 组合模式：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”层次结构，使得客户端可以统一处理单个对象和组合对象。
- 关键用途：
1.简化递归结构操作（如遍历目录树、渲染UI控件树）。
2.隐藏复杂结构的差异，提供一致性接口。
经典场景
- 文件系统管理（文件与文件夹的统一操作）。
- 图形界面容器（窗口包含按钮、面板等子控件）。
2. 模式结构解析
UML类图
+---------------------+
| Component |
+---------------------+
| + add(c: Component) |
| + remove(c: Component)|
| + operation() |
+---------------------+ ^ | +-------+-------+ | |
+-----------------+ +-----------------+
| Composite | | Leaf |
+-----------------+ +-----------------+
| - children: list | | + operation() |
| + operation() | +-----------------+
+-----------------+
角色说明
Component：抽象接口，定义叶子和容器的共同操作（如add、remove）。Leaf：叶子节点，无子组件（如文件）。-
Composite：容器节点，存储子组件并实现递归逻辑（如文件夹）。
3. 简单示例：透明模式（统一接口）
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory> // 抽象组件（透明模式：叶子与容器接口一致）
class FileSystemComponent {
public: virtual ~FileSystemComponent() = default; virtual void add(std::shared_ptr<FileSystemComponent> item) { throw std::runtime_error("叶子节点不支持此操作"); } virtual void list() const = 0;
}; // 叶子：文件
class File : public FileSystemComponent {
public: File(const std::string& name) : name_(name) {} void list() const override { std::cout << "文件: " << name_ << "\n"; } private: std::string name_;
}; // 容器：文件夹
class Folder : public FileSystemComponent {
public: Folder(const std::string& name) : name_(name) {} void add(std::shared_ptr<FileSystemComponent> item) override { children_.push_back(item); } void list() const override { std::cout << "文件夹: " << name_ << "\n"; for (const auto& child : children_) { child->list(); } } private: std::string name_; std::vector<std::shared_ptr<FileSystemComponent>> children_;
}; // 使用示例
int main() { auto root = std::make_shared<Folder>("根目录"); auto docs = std::make_shared<Folder>("文档"); auto file1 = std::make_shared<File>("简历.pdf"); auto file2 = std::make_shared<File>("笔记.txt"); docs->add(file1); docs->add(file2); root->add(docs); root->list(); // 递归列出所有内容
}
4. 完整代码：安全模式与扩展功能
场景：图形界面控件树
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <algorithm> // 抽象组件（安全模式：叶子与容器接口分离）
class UIComponent {
public: virtual ~UIComponent() = default; virtual void render() const = 0; virtual std::string getName() const = 0;
}; // 容器接口（仅容器支持添加/删除）
class UIContainer : public UIComponent {
public: virtual void add(std::shared_ptr<UIComponent> child) = 0; virtual void remove(std::shared_ptr<UIComponent> child) = 0;
}; // 叶子：按钮
class Button : public UIComponent {
public: Button(const std::string& name) : name_(name) {} void render() const override { std::cout << "渲染按钮: " << name_ << "\n"; } std::string getName() const override { return name_; } private: std::string name_;
}; // 容器：面板
class Panel : public UIContainer {
public: Panel(const std::string& name) : name_(name) {} void add(std::shared_ptr<UIComponent> child) override { children_.push_back(child); } void remove(std::shared_ptr<UIComponent> child) override { auto it = std::find(children_.begin(), children_.end(), child); if (it != children_.end()) { children_.erase(it); } } void render() const override { std::cout << "渲染面板: " << name_ << "\n"; for (const auto& child : children_) { child->render(); } } std::string getName() const override { return name_; } private: std::string name_; std::vector<std::shared_ptr<UIComponent>> children_;
}; // 客户端代码
int main() { auto mainPanel = std::make_shared<Panel>("主面板"); auto button1 = std::make_shared<Button>("确定"); auto button2 = std::make_shared<Button>("取消"); auto subPanel = std::make_shared<Panel>("子面板"); auto button3 = std::make_shared<Button>("更多"); subPanel->add(button3); mainPanel->add(button1); mainPanel->add(button2); mainPanel->add(subPanel); mainPanel->render(); // 输出： // 渲染面板: 主面板 // 渲染按钮: 确定 // 渲染按钮: 取消 // 渲染面板: 子面板 // 渲染按钮: 更多
}
5. 优缺点分析
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 统一处理简单与复杂对象 | 透明模式违反接口隔离原则（叶子支持add） |
| 支持递归操作与树形遍历 | 容器需管理子节点生命周期，增加复杂度 |
| 灵活扩展新组件类型 | 对性能敏感场景不友好（深层次遍历） |
6. 调试与优化策略
调试技巧（VS2022）
- 递归调用跟踪：
在render()方法内设置条件断点（如getName() == “子面板”）。 - 内存泄漏检测：
使用VS2022内置诊断工具（Debug > Windows > Memory Usage）。
性能优化
- 缓存遍历结果：
class CachedPanel : public Panel {
public: void render() const override { if (!cached_) { cachedOutput_ = generateRenderOutput(); cached_ = true; } std::cout << cachedOutput_; }
private: mutable bool cached_ = false; mutable std::string cachedOutput_;
};
- 并行化渲染
#include <execution>
void Panel::render() const { std::for_each(std::execution::par, children_.begin(), children_.end(), [](const auto& child) { child->render(); });
}
