组合
概述
在现实生活中，复杂的对象通常是由小的，简单的组成，从简单对象构建复杂对象的过程称为对象组合
例如
- 汽车是用金属框架，发动机，轮胎，变速器和其他大量零件制造而成的
- 个人电脑由CPU，主板，内存等组成
- 即便是你也是由较小部分组成：头，身体，腿，手
从广义上讲，两个对象存在关系构成了对象组合模型
- 汽车有变速箱，你的电脑有CPU，你自己有心脏
- 复杂对象有时被称为整体或父对象，简单的对象通常被称为零件，子零件或组件
在C++中，你已经看到结构和类可以具体各种类型的数据成员(例如基础类型和其他类)
当我们使用数据成员构建类时，实际上是从较简单的部分构造复杂对象，即对象组合，因此，有时将结构和类称为复合类型
对象组合在C++上下文中很有用，因为它使我们可以通过组合更简单，更易于管理的创建复杂的类
这降低了复杂，并且使我们能够更快地编写代码并减少错误，因此我们可以重用已经编写，测试和验证过的有效代码
对象组合的类型
对象组合有两种基本的子类型
- 组合(composition)
- 聚合(aggregation)
关于术语的注释：术语“组合”通常用于指组合和聚合，而不仅指组合
在本篇文章中，当我们提及两者时，将术语“对象组合”，而当具体提及组合，将使用术语组合(composition)
组合
为了符合组合条件，对象和零件必须具有以下关系
- 该部件（成员）是对象（类）的一部分
- 该部件（成员）一次只能属于一个对象(类)
- 该部件（成员）的存在由对象（类）管理
- 该部件（成员）不知道对象（类）的存在
一个真实的组合例子就是一个人的身体和心脏的关系
组合的构成是部件 - 整体的关联，部件是整体的一部分
- 例如，心脏是人的身体的一部分。组合中的部件一次只能是一个对象的一部分
- 属于一个人的身体的心脏不能同时属于另一个人的身体
在组合构建中，对象负责部件的存亡
- 意味着，部件在对象创建的时候创建，并在销毁对象时销毁
- 从更广的范围来说，这意味着，对象不需要用户参与管理部件的生命周期
- 例如，当创建一个身体时，心脏也被创建。当一个人的身体被破坏时，他们的心脏也被破坏。因此，这就构成了“死亡关系”
部件不知道整体的存在
- 你的心脏幸福地运转着，却没有意识到它是更大结构的一部分
- 我们称其为
单向关系，因此身体了解心脏，但反之未然
部件的可移植说明
- 心脏可以从一个身体移植到另外一个身体
- 移植后仍然符合组合关系的要求（心脏现已由接受者拥有，除非再次移植，否则它只能是接受者的一部分）
例子
class Fraction
{
private:
int m_numerator;
int m_denominator;
public:
Fraction(int numerator=0, int denominator=1):
m_numerator{ numerator }, m_denominator{ denominator }
{
// We put reduce() in the constructor to ensure any fractions we make get reduced!
// Since all of the overloaded operators create new Fractions, we can guarantee this will get called here
reduce();
}
};
- 此类具有两个数据成员：分子和分母。分子和分母是分数的一部件（包含在其中）
- 它们一次不能属于一个以上分数。分子和分母不知道它们是分数的部件，它们知道表示某个整数
- 创建分数实例的时候，同时创建分子和分母两个成员变量。当分数被销毁的时候，分子和分母的成员变量也被销毁
更多例子
#include <iostream>
#include <string.h>
class Point2D
{
private:
int m_x;
int m_y;
public:
// a default constructof
Point2D(): m_x{0}, m_y{0}
{
}
// a specific constructor
Point2D(int x, int y): m_x{x}, m_y{y}
{
}
// an overloaded output operator
friend std::ostream& operator <<(std::ostream& out, const Point2D &point)
{
out << '(' << point.m_x << ", " << point.m_y << ')';
return out;
}
// Access functions
void setPoint(int x, int y)
{
m_x = x;
m_y = y;
}
};
class Creature
{
private:
std::string m_name;
Point2D m_location;
public:
Creature(const std::string &name, const Point2D &location)
:m_name{name}, m_location{location}
{
}
friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Creature &creature)
{
out << creature.m_name << " is at " << creature.m_location;
return out;
}
void moveTo(int x, int y)
{
m_location.setPoint(x, y);
}
};
int main() {
std::cout << "Enter a name for your creature.";
std::string name;
std::cin >> name;
Creature creature{name, {4, 7}};
while (true) {
// print the creature's name and location
std::cout << creature << '\n';
std::cout << "Enter new X location for creature (-1 to quit): ";
int x{0};
std::cin >> x;
if (x == -1) {
break;
}
std::cout << "Enter new Y location for creature (-1 to quit):";
int y{0};
std::cin >> y;
if (y == -1) {
break;
}
creature.moveTo(x, y);
}
return 0;
}
组合的变体
尽管大多数组合模型中，部分随着整体创建而创建，部分随整体销毁而销毁。但是还有一些不一样的情况
例如
- 在组合关系中，可能会延迟某些部分的创建，直到它们需要为止。例如，用户为字符串分配一些要保留的数据之前，字符串类可能不会创建动态字符数组
- 在组合关系中，可能会选择使用已提供给它的零件作为输入，而不是自己创建零件
- 在组合关系中，可能会将其部分的销毁要求委托给其他对象。如，垃圾回收例程
这里的关键点是，组合中整体管理部分，而组合的用户则不需要进行任何管理
组合和子类
当涉及对象组合时新程序员经常会问一个问题：“我什么时候应该使用子类而不是直接实现功能？”
例如，我们可以不使用Point2D类来实现Creature的位置，而可以只向Creature类添加2个整数，并在Creature类中编写代码来处理位置
将Point2D设为自己的类有很多好处：
- 每个对象可以保持简单明了，专注于出色地完成一项任务，由于它们职责更分明，因此使这些类更容易编写和理解
- 例如，Point2D只关注与点有关的时间，这使理解和编写代码更加简单
- 每个子类可以独立的，这使得它们可以重用
- 例如，我们可以在完全不同的应用程序中重用Point2D类
- 或者，我们需要另外一个点作为试图要到达的目的地，那么可以简单添加另一个Point2D成员变量
- 父类可以让子类完成大部分的工作，而自己专注协调子类之间的数据流。这有助于降低父对象的整体复杂性，因为它可以将任务委派给已经知道如何执行这些任务的子对象
- 例如，当我们移动Creature时，它将任务委派给Point类，该类已经了解如何设置点
- 因此，Creature类不必担心如何实现这些事情
一个好的经验法则是，应该构建单个类对应单个任务
在我们的示例中, 很明显Creature不必担心Point的实现方式或名称的存储方式
- Creature的工作不需要知道哪些私密的细节
- Creature的工作是担心如何协调数据流，并确保每个子类都知道应该做什么。接下来有各个子类担心它们怎么做
聚合
概述
要符合聚合条件，整个对象及其各个部件必须具有以下关系
- 该部件（成员）是对象(类)的一部分
- 该部件 (成员) 一次可以属于多个对象(类)
- 该部件 (成员)的存在不由对象（类）管理
- 该部件（成员）不知道对象（类）的存在
像组合一样，聚合仍然是部件与整体的关系，其中部件包含在整体中，并且是单向关系，但是与组合不同，部件一次可以属于一个以上的对象，而整个对象对部件的存在和生命周期不负责
创建聚合时，聚合不负责创建部件，销毁聚合时，聚合不负责销毁部件
例如，考虑一个人与其家庭住址之间的关系
- 在此示例中，为简单起见，我们将说每个人都有一个地址。但是，该地址一次可以属于一个以上的人：如你和你的室友或其他重要的人
- 但是，该地址不是由该人管理的-该地址可能在此人到达之前就已存在，而在该人离开后仍然存在
- 另外，一个人知道他们住的地方，但地址不知道他们住的地方
- 因为这是一个聚合关系
另外，考虑一下汽车和引擎
- 汽车发动机是汽车的一部分，尽管引擎属于汽车，但它也可以属于其他事物，例如拥有汽车的人
- 汽车不负责发动机的制造和毁坏
- 虽然汽车知道它有引擎，但是引擎却不知道它是汽车的一部分
在对物理对象建模时，使用“破坏”一词可能会有些麻烦
- 有人可能会争辩说“如果流星从天上掉下来砸碎了汽车，汽车零件也不会全部被毁吗？”当然是，但这是流星的错
- 重要的是，汽车对零件的损坏不承担任何责任(但可能会受外力的影响)
我们可以说聚合模型“有”关系（一个部分有老师，汽车有引擎）。与组合类似，集合的各个部件可以单独的或相互调用
聚合案例
因为聚合与组合相似，因为它们都是部件 - 整体关系，因此它们的实现几乎完全相同，它们之间的差异主要是语义上的
在组合中，我们通常使用普通成员变量（或有组合类处理分配和释放过程的指针）将零件添加到组合中
在聚合中，我们还将部件添加为成员变量，但是，这些成员变量通常是引用或指针，用于指向已在类范围之外创建的对象。因此，聚合通常要么指向的对象用作构造函数参数，要么开始为空，然后再通过访问函数或运算符添加子对象
因为这些部分存在于类范围之外，所以当销毁该类时，指针或引用成员变量将销毁（但不会删除）。因此，部件本身仍将存在
#include <iostream>
#include <string>
class Teacher
{
private:
std::string m_name{};
public:
Teacher(const std::string& name): m_name{name}
{
}
const std::string& getName() const
{
return m_name;
}
};
class Department
{
private:
const Teacher& m_teacher; // This dept holds only one teacher of simplicity, but it could hold many teachers
public:
Department(const Teacher& teacher): m_teacher{teacher}
{
}
};
int main() {
// Create a teacher outside the scope of the Department
Teacher bob {"Bob"}; // create a teacher
{
// Create a department and use the consturctos partameter to pass
// the teacher to it.
Department department {bob};
} // department goes out of scope here and is destoryed
// bob still exists here, but the department doesn't
std::cout << bob.getName() << " still exists! \n";
return 0;
}
- 首先，该部门只能容纳一位老师。其次，老师不会知道他们所属的部门
- 所以在本例中，bob是独立于department创建的，然后传递给department的构造函数
- 当department 被销毁的时，m_teacher引用被销毁。但是是教师本身并没有被销毁，因此它仍然存在，直到后来在main()被独立销毁
为建模选择正确的关系
尽管上面的例子中教师不知道他们为那么部门工作似乎有些愚蠢，但在给定程序的背景下这可能完全没问题
在确定要实现哪种关系时，请实现最简单的满足你的需求，而不是看起来最适合现实生活的关系
例如，如果你正在编写车身修理厂模拟器，则可能希望将汽车和引擎作为聚合来实现，因此可以将引擎卸下并放在架子上以备后用
但是，如果你正在编写赛车模拟游戏，则可能希望将汽车和引擎作为组合来实现，因为在这种情况下，引擎永远不会存在于汽车外部
关联
概述
要符合关联条件，一个对象与另一个对象必须具有以下关系
- 关联的对象（成员）与对象（类）无关
- 关联的对象（成员）一次可以属于多个对象（类）
- 关联的对象（成员）没有由该成员（类）管理其存在
- 关联的对象（成员）可能知道或可能不知道对象（类）的存在
与组合和聚合的部分是构成整体的一部分不同，在关联中，关联的对象与该对象无关
就像聚合一样，关联的对象可以同时属于多个对象，并且不受这些对象的管理
但是，与聚合（关系始终是单向的）不同的是，在关联中，关系可以是单向的也可以是双向的（两个对象相互了解）
- 医生与患者之间的关系就是一个很好的例子
- 医生显然与患者有关系，但从概念上讲，这个不是部分/整体（对象组合）的关系
- 一个医生一天可以看很多病人，一个病人可以看很多医生(也许想要第二个医生意见，或者他们正在拜访不同类型的医生)
- 该对象的寿命都没有和另外一个有关系
- 我们可以说关联模型的是“用户-单个”关系。医生“使用”病人（以赚取收入）。患者使用医生（出于他们所需的任何健康目的）
案例
#include <cstdint>
#include <functional>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;
// Since Doctor and Patient have a circular dependency, we're going to farward declare Patient
class Patient;
class Doctor
{
private:
string m_name{};
vector<reference_wrapper<const Patient>> m_patient{};
public:
Doctor(const string& name): m_name{name}
{
}
void addPatient(Patient& patient);
// We'll implement this function below Patient since we need Patient to be defined at that point
friend ostream& operator<<(ostream &out, const Doctor &doctor);
const string& getName() const
{
return m_name;
}
};
class Patient
{
private:
string m_name{};
vector<reference_wrapper<const Doctor>> m_doctor{}; // so that we can use it here
// We're going to make private because we don't want the public to use it
// They should use Doctor::addPatient() instead, which is publiy exposed
void addDoctor(const Doctor& doctor)
{
m_doctor.push_back(doctor);
}
public:
Patient(const string& name): m_name {name}
{
}
// We'll friend Doctor::addPatient() so it can access the private function Patient::addDoctor()
friend ostream& operator << (ostream &out, const Patient &patient);
const string& getName() const
{
return m_name;
}
// We'll friend Doctor::addPatient() so it can access the private function Patient::addDoctor()
friend void Doctor::addPatient(Patient& patient);
};
void Doctor::addPatient(Patient& patient)
{
// Our doctor will add this patient
m_patient.push_back(patient);
// and the patient will also add this doctor
patient.addDoctor(*this);
}
ostream& operator<<(ostream &out, const Doctor &doctor)
{
if (doctor.m_patient.empty()) {
out << doctor.m_name << " has no patients right now";
return out;
}
out << doctor.m_name << " is seeing patients: ";
for (const auto& patient: doctor.m_patient) {
out << patient.get().getName() << ' ';
}
return out;
}
ostream& operator<<(ostream &out, const Patient &patient)
{
if (patient.m_doctor.empty()) {
out << patient.getName() << " has no doctors right now";
return out;
}
out << patient.m_name << " is seeding doctors: ";
for (const auto& doctor: patient.m_doctor) {
out << doctor.get().getName() << ' ';
}
return out;
}
int main() {
// Create a Patient outside the scope of the Doctor
Patient dave {"Dave"};
Patient frank {"Frank"};
Patient betsy {"Betsy"};
Doctor james {"James"};
Doctor scott {"Scott"};
james.addPatient(dave);
scott.addPatient(dave);
scott.addPatient(betsy);
cout << james << '\n';
cout << scott << '\n';
cout << dave << '\n';
cout << frank << '\n';
cout << betsy << '\n';
return 0;
}
因为关联是一种广泛的关系，所以可以用许多不同的方式来实现它们。但是，大多数情况下，关联是使用指针实现的，其中对象指向关联的对象
在这个示例中，我们将实现双向“医生/患者”关系，因为让医生知道他们的患者是有意义的，反之亦然
通常，如果可以使用单向关联，则应避免使用双向关联，因为它们会增加复杂性，并且往往更容易编写而不会错误
反身关联
有时对象可能与相同类型的其他对象有关系，这被称为反身关联
反身关联的一个很好例子是大学课程与其先决条件（也就是大学课程）之间的关系
考虑简化的情况，其中一门课程只能有一个前提条件。我们可以做这样的是事情
include <string>
class Course
{
private:
std::string m_name;
const Course *m_prerequisite;
public:
Course(const std::string &name, const Course *prerequisite = nullptr): m_name{name}, m_prerequisite{prerequisite}
{
}
};
- 这可能会导致关联链(课程具有先决条件等)
关联可以是间接的
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Car
{
private:
string m_name;
int m_id;
public:
Car(const string& name, int id): m_name{name}, m_id{id}
{
}
const string& getName() const
{
return m_name;
}
int getId() const
{
return m_id;
}
};
// Our CarLot is essentially just a static array of Cars and a lookup function to retrieven them
// Because it's static, we don't need to allocate an object of type CarLot to use it
class CarLot
{
private:
static Car s_carLot[4];
public:
CarLot() = delete; // Ensure we don't try to create a CarLot
static Car* getCar(int id)
{
for (int count{0}; count < 4; ++count) {
if (s_carLot[count].getId() == id) {
return &(s_carLot[count]);
}
}
return nullptr;
}
};
Car CarLot::s_carLot[4]{{"Prius", 4}, {"Corolla", 17}, {"Accord", 84}, {"Matrix", 62}};
class Driver
{
private:
string m_name;
int m_carId; // we're associated with the Car by ID rather than pointer
public:
Driver(const string& name, int carId): m_name{name}, m_carId{carId}
{
}
const string& getName() const
{
return m_name;
}
int getCarId() const
{
return m_carId;
}
};
int main() {
Driver d {"Franz", 17}; // Franz is driving the car with ID 17
Car *car {CarLot::getCar(d.getCarId())}; // Get that car from the car lot
if (car) {
cout << d.getName() << " is driving a " << car->getName() << '\n';
} else {
cout << d.getName() << " couldn't find his car \n";
}
return 0;
}
在上面的示例中，我们有一个CarLot来存放我们的汽车。需要汽车的驾驶员没有指向他的汽车的指针-相反，他具有汽车ID,我们可以使用该ID在需要时从CarLot中获取汽车
在这个特定示例中，以这种方式执行操作有点愚蠢，因为将Car将退出CarLot要求的查找效率很低(将两者连接的指针要快得多)
但是，通过唯一的ID而不是指针来引用事物也具有优势
- 例如，你可以引用当前不在内存中的内容（也许它们在文件或数据中，并且可以按需加载）
- 同样，指针可以占用4或8个字节。如果空间有限，并且唯一对象的数量很少，则用8位或16位整数引用它们可以节省大量内存
总结
组合和聚合的总结
组合
- 通常使用普通成员变量
- 如果类本身处理对象分配/取消，则可以使用指针成语
- 负责部件的创建/销毁
聚合
- 通常使用指向或引用位于聚合类范围之外的对象的指针或引用成员
- 不负责创建/销毁部件
值得注意的是，组合和聚合的概念不是相互排斥的，可以在同一类中自由混合。完全可以编写一个类来负责创建/销毁某些部分，而不是其他
例如，我们的部门类可以有一个名字和一个老师类
- 该名称可以按组合添加到部门中，并随部门一起创建和销毁
- 另一方面，将通过汇总将教师添加到部门，并独立创建/销毁该老师
尽管聚合可能非常有用，但它们也可能更加危险，因为聚合无法处理其部分的重新分配，解除分配留给外部人员完成。如果外部方不再指向废弃部分的指针或引用，或者只是忘记进行清理（假设该类将进行清理），则内存将被泄漏
出于这个原因，应该优先使用组合而不是聚合
例子
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;
class Teacher
{
private:
std::string m_name{};
public:
Teacher(const std::string& name): m_name{name}
{
}
const std::string& getName() const
{
return m_name;
}
};
class Department
{
private:
vector<Teacher> m_listOfTeachers;
public:
Department()
{
}
void add(const Teacher& teacher)
{
m_listOfTeachers.push_back(teacher);
}
friend std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const Department &department)
{
out << "Department: ";
for (auto& teac : department.m_listOfTeachers) {
out << teac.getName() << ' ';
}
return out;
}
};
int main() {
// Create a teacher outside the scope of the Department
Teacher t1 {"Bob"};
Teacher t2 {"Frank"};
Teacher t3 {"Beth"};
{
// Create a department and add some Teachers to it
Department department{}; // create an empty Department
department.add(t1);
department.add(t2);
department.add(t3);
cout << department;
} // department goes out of scope here and is destoryed
cout << t1.getName() << " still exists! \n";
cout << t2.getName() << " still exists! \n";
cout << t3.getName() << " still exists! \n";
return 0;
}
组合 vs 聚合 vs 关联 总结
| 属性 | 组合 | 聚合 | 关联 |
|---|---|---|---|
| 关系类型 | 整体/部分 | 整体/部分 | 没有特定关系 |
| 成员属于多个类别 | 否 | 是 | 是 |
| 类管理成员生命周期 | 是 | 否 | 否 |
| 方向性 | 单向 | 单向 | 单向或双向 |
| 关系动词 | Part-of | Has-a | Uses-a |