Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4
«Реализация одного из структурных шаблонов проектирования»
Цель работы: Применение паттерна проектирования Composite (компоновщик)
Продолжительность работы - 4 часа.
Содержание
-
1. Теоретический материал..........................................................................................................1 2. паттерн проектирования Builder (строитель) .....................................................................2 3. Ример реализации паттерна………………….........................................................................4 4. Задание на выполнение лабораторной работы.......................................................................7 5. Требования к отчету................................................................................................................8 6. Вопросы....................................................................................................................................8
Cтруктурные паттерны.
Структурные паттерны рассматривают вопросы о компоновке системы на основе классов и объектов. При этом могут использоваться следующие механизмы:
1.Наследование - когда базовый класс определяет интерфейс, а подклассы - реализацию. Структуры на основе наследования получаются статичными.
2.Композиция - когда структуры строятся путем объединения объектов некоторых классов. Композиция позволяет получать структуры, которые можно изменять во время выполнения.
Назначение паттерна Composite
Использование паттерна Composite целесообразно, если:
-
Необходимо объединять группы схожих объектов и управлять ими.
-
Объекты могут быть как примитивными (элементарными), так и составными(сложными). Составной объект может включать в себя коллекции других объектов, образуя сложные древовидные структуры. Пример: директория файловой системы состоит из элементов, каждый их которых также может быть директорией.
-
Код клиента работает как с примитивными так и составными объектами единообразно.
Описание паттерна Composite
Управление группами объектов может быть непростой задачей, особенно, если эти объекты содержат собственные объекты.
Проиллюстрируем применение паттерна Composite на примере реализации военной стратегической игры ”Пунические войны” (лабораторные работы 2 и 3).
Каждая боевая единица (всадник, лучник, пехотинец) имеет свою собственную разрушающую силу. Эти единицы могут объединяться в группы для образования более сложных военных подразделений, например, римские легионы, которые, в свою очередь, объединяясь, образуют целую армию. Как рассчитать боевую мощь таких иерархических соединений?
Паттерн Composite предлагает следующее решение. Он вводит абстрактный базовый класс Component с поведением, общим для всех примитивных и составных объектов. Для случая стратегической игры - это метод getStrength() для подсчета разрушающей силы. Подклассы Primitive and Composite являются производными от класса Component. Составной объект Composite хранит компоненты-потомки абстрактного типа Component, каждый из которых может быть также Composite.
UML-диаграмма классов паттерна Composite
Для добавления или удаления объектов-потомков в составной объект Composite, класс Component определяет интерфейсы add() и remove().
Реализация паттерна Composite
Применим паттерн Composite для нашей стратегической игры. Сначала сформируем различные военные соединения римской армии, а затем рассчитаем разрушающую силу.
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 |
#include <iostream> #include <vector> #include <assert.h>
// Component class Unit { public: virtual int getStrength() = 0; virtual void addUnit(Unit* p) { assert( false); } virtual ~Unit() {} };
// Primitives class Archer: public Unit { public: virtual int getStrength() { return 1; } };
class Infantryman: public Unit { public: virtual int getStrength() { return 2; } };
class Horseman: public Unit { public: virtual int getStrength() { return 3; } };
// Composite class CompositeUnit: public Unit { public: int getStrength() { int total = 0; for(int i=0; i<c.size(); ++i) total += c[i]->getStrength(); return total; } void addUnit(Unit* p) { c.push_back( p); } ~CompositeUnit() { for(int i=0; i<c.size(); ++i) delete c[i]; } private: std::vector<Unit*> c; };
// Вспомогательная функция для создания легиона CompositeUnit* createLegion() { // Римский легион содержит: CompositeUnit* legion = new CompositeUnit; // 3000 тяжелых пехотинцев for (int i=0; i<3000; ++i) legion->addUnit(new Infantryman); // 1200 легких пехотинцев for (int i=0; i<1200; ++i) legion->addUnit(new Archer); // 300 всадников for (int i=0; i<300; ++i) legion->addUnit(new Horseman);
return legion; }
int main() { // Римская армия состоит из 4-х легионов CompositeUnit* army = new CompositeUnit; for (int i=0; i<4; ++i) army->addUnit( createLegion());
cout << "Roman army damaging strength is " << army->getStrength() << endl; // … delete army; return 0; } |
Следует обратить внимание на один важный момент. Абстрактный базовый класс Unit объявляет интерфейс для добавления новых боевых единиц addUnit(), несмотря на то, что объектам примитивных типов (Archer, Infantryman, Horseman) подобная операция не нужна. Сделано это в угоду прозрачности системы в ущерб ее безопасности. Клиент знает, что объект типа Unit всегда будет иметь метод addUnit(). Однако его вызов для примитивных объектов считается ошибочным и небезопасным.
Можно сделать систему более безопасной, переместив метод addUnit() в составной объект CompositeUnit. Однако при этом возникает следующая проблема: мы не знаем, содержит ли объект Unit метод addUnit().
Рассмотрим следующий фрагмент кода.
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 |
class Unit { public: virtual CompositeUnit* getComposite() { return 0; } // … };
// Composite class CompositeUnit: public Unit { public: void addUnit(Unit* p); CompositeUnit* getComposite() { return this; } // … }; |
В абстрактном базовом классе Unit появился новый виртуальный метод getComposite() с реализацией по умолчанию, которая возвращает 0. Класс CompositeUnit переопределяет этот метод, возвращая указатель на самого себя. Благодаря этому методу можно запросить у компонента его тип. Если он составной, то можно применить операцию addUnit().
|
1 2 3 4 |
if (unit->getComposite()) { unit->getComposite()->addUnit( new Archer); } |
Результаты применения паттерна Composite
Достоинства паттерна Composite
-
В систему легко добавлять новые примитивные или составные объекты, так как паттерн Composite использует общий базовый класс Component.
-
Код клиента имеет простую структуру – примитивные и составные объекты обрабатываются одинаковым образом.
-
Паттерн Composite позволяет легко обойти все узлы древовидной структуры
Недостатки паттерна Composite
-
Неудобно осуществить запрет на добавление в составной объект Composite объектов определенных типов. Так, например, в состав римской армии не могут входить боевые слоны.
-
4. Задание
-
Разработать UML-диаграммы (диаграмму классов и диаграмму последовательности) и с помощью паттерна Composit решить следующую задачу.
Обеспечить контроль загрузки и готовности к отправлению cамолета.
В самолете присутствуют пилоты(2), стюардессы(6), пассажиры первого(макс. 10 чел), бизнес (макс. 20 чел) и эконом (150 чел) классов. Пассажиры имеют багаж (от 5 до 60 кг). Бесплатно к провозу багажа допускается 35 кг - бизнес класс, 20 кг - эконом и без ограничения - первый класс.
Примитивный объект – пассажир, пилот стюардесса. Составной объект – Первый, бизнес и эконом классы.
Пилоты и стюардессы не могут иметь багажа.
Есть максимальная допустимая загрузка самолета багажом. При превышении – багаж снимается с рейса. Снять багаж можно только у пассажиров эконом класса.
В результате работы программ должна быть создана карта загрузки самолета с указанием перевеса багажа и информации о снятом с рейса багаже.
5. Требования к отчету
Отчет к лабораторной работе должен содержать текст работающей программы на языке программирования С++ или С# и результат выполнения программы.
6. Вопросы.
1. Объясните целесообразность применения паттерна для решения задачи лабораторной работы.
2. Каковы паттерны родственны паттерну Composit.