Composite Pattern

부분과 전체의 계층을 표현하기 위해 객체들을 모아 트리 구조로 구성한다. 사용자로 하여금 개별 객체와 복합 객체를 모두 동일하게 다룰 수 있도록 하는 패턴이다.

Motivation

파일 시스템에는 파일과 디렉터리가 존재하며, 디렉터리는 파일뿐만 아니라 다른 디렉터리도 포함할 수 있다. 이러한 관계를 구현할 때, 파일과 디렉터리를 다르게 다루면 코드가 복잡해지고, 이를 관리하는 데 불편함이 발생한다.

컴포지트 패턴을 사용하면 파일과 디렉터리를 동일하게 처리할 수 있다. 디렉터리는 파일과 다른 디렉터리를 자식 객체로 가지며, 이를 재귀적으로 처리할 수 있다. 새로운 객체가 추가될 때도 확장성이 높아진다.

Applicability

부분 - 전체의 객체 계통을 표현하고 싶을 때
사용자가 객체의 합성으로 생긴 복합 객체와 개별 객체 사이의 차이를 알지 않고도 자기 일을 할 수 있도록 만들고 싶을 때

Structure

composite pattern structure

전형적인 컴포지트 객체 구조는 다음과 같다.

composite object structure

Component: 집합 관계에 정의될 모든 객체에 대한 인터페이스를 정의한다. 모든 클래스에 해당하는 인터페이스에 대해서는 공통의 행동을 구현한다. 전체 클래스에 속한 컴포넌트들을 관리하는 데 필요한 인터페이스를 정의한다. 순환 구조에서 컴포넌트들을 포함하는 전체 클래스로 접근하는 데 필요한 인터페이스를 정의하며, 적절하다면 그 인터페이스를 구현한다.
Leaf: 가장 밑단의 객체, 즉 자식이 없는 객체를 의미한다. 객체 합성에 가장 기본이 되는 객체의 행동을 정의한다.
Composite: 자식이 있는 컴포넌트에 대한 행동을 정의한다. 자신이 복합하는 요소들을 저장하면서, Component 인터페이스에 정의된 자식 관련 연산을 구현한다.
Client: Component 인터페이스를 통해 복합 구조 내 객체들을 조작한다.

Collaborations

사용자는 복합 구조 내 객체 간 상호작용을 위해 Component 클래스 인터페이스를 사용한다. 요청받은 대상이 Leaf 인스턴스면 자신이 정의한 행동을 직접 수행하고, 대상이 Composite면 자식 객체들에게 요청을 위임한다.

Consequences

기본 객체와 복합 객체로 구성된 하나의 일관된 클래스 계통을 정의한다.
사용자의 코드가 단순해진다.

사용자 코드는 복합 구조이나 단일 객체와 동일하게 다루는 코드로 작성된다. 즉, 사용자는 객체의 특성이 복합 구조인지 단일 구조인지 모르고 개발할 수 있다.
새로운 종류의 컴포넌트를 쉽게 추가할 수 있다.

새롭게 정의된 Composite나 Leaf의 서브클래스들은 기존에 존재하는 구조들과 독립적으로 동작이 가능하게 된다.
설계가 지나치게 범용성을 많이 가진다.

새로운 컴포넌트를 추가할 때의 단점은 복합체 컴포넌트에 제약을 가하기 힘들다는 것이다. 이런 경우 런타임 점검이 필요하다.

Implementation

부모 객체에 대한 명확한 참조자.

자식 컴포넌트에서 부모를 가리키는 참조자를 관리하면 복합체 구조의 관리를 단순화할 수 있다. 부모에 대한 참조자는 구조를 거슬러 올라가거나 컴포넌트를 하나 삭제하는 과정을 단순화시킨다. 복합 구조에서 추가나 삭제가 일어날 때만 컴포넌트의 부모를 변경하는데, 이로써 Composite 클래스의 Add() 및 Remove() 연산에서만 부모에 대한 참조자를 관리하면, 이를 상속하는 서브클래스에서는 이 코드를 상속받아 자동으로 부모에 대한 참조자를 관리할 수 있다.

부모 객체에 대한 참조자는 보통 Component 클래스에 두는데, Leaf 클래스와 Composite 클래스는 이 Component를 상속받고 있으므로, 실제로 두 클래스 모두 이 참조자를 관리하는 셈이다.
컴포넌트 공유.

컴포넌트를 공유하는 것은 메모리의 저장 공간을 줄일 수 있다. 그러나 컴포넌트가 하나 이상의 부모를 갖는다면 컴포넌트를 공유하기 어렵다. 해결책 중 하나는 자식이 여러 부모를 갖게 하는 것이다. 그러나 메시지를 전달할 때 어떤 부모에게 전달해야 할 지 애매할 수 있다.
Component 인터페이스를 최대화.

컴포지트 패턴의 주 목표 중 하나는 사용자가 어떤 Leaf나 Composite 클래스가 존재하는지 모르도록 하는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해 Component 클래스는 Composite와 Leaf에 정의된 모든 공통 연산을 다 정의하고 있어야 한다. Component 클래스는 이 연산들에 대한 기본 구현을 제공하고, Leaf와 Composite 클래스가 이를 재정의한다.
자식을 관리하는 연산 선언.

컴포지트 패턴에서 매우 중요한 관심사는 Composite 클래스 계통 내 어느 클래스에 Add(), Remove() 연산을 선언할 것인가를 결정하는 것이다.
- 자식을 관리하는 인터페이스를 클래스 계통 최상위 클래스에 정의하면, 서브클래스 모두에게 동일한 인터페이스가 유지되어 이를 사용하는 사용자에게 인터페이스의 투명성을 부여할 수 있다. 반대로 사용자가 Leaf 클래스의 인스턴스에게 Add()나 Remove() 연산을 호출하는 의미없는 행동을 하지 않도록 안정성 유지를 위한 비용을 지불해야 한다.
- Composite 클래스에만 자식을 관리하는 연산을 정의한다면, 이를 사용하는 사용자는 Leaf 클래스의 인스턴스에 이런 연산을 요청하지 않을 것이므로 안정성은 보장받는다. 그러나 Leaf 클래스와 Composite 클래스가 서로 다른 인터페이스를 갖게 되므로 사용자는 이를 동일한 대상으로 간주하고 사용할 수 없으므로 코드가 복잡해질 수 있다.
자식 사이 순서 정하기.

Composite 클래스의 자식들 간 순서를 정의할 때가 있다. 인터페이스를 설계 시 자식들의 순서를 관리할 수 있도록 주의를 기울여야 한다.
성능 개선을 위한 캐싱.

복합 구조 내부를 수시로 순회하고 탐색해야 한다면, Composite 클래스는 자식을 순회하는 정보를 미리 담고 있을 수도 있다. 이 구현은 컴포넌트가 자신의 부모가 누구인지 아는 상황에서만 의미가 있다. 캐싱은 이용하려면 현재 저장된 캐시의 내용이 유효한지를 확인하는 연산을 정의해야 한다.
컴포넌트 삭제의 책임자.

GC 기능을 제공하지 않는 언어는 자식이 없어질 때 일반적으로 Composite 클래스가 삭제의 책임을 진다. 그러나 Leaf 객체가 변경될 수 없는 객체이거나 공유될 수 있는 객체라면 예외적으로 삭제할 수 없다.
컴포넌트를 저장하기 위한 데이터 구조.

Composite는 다양한 데이터 구조를 이용해 자신의 자식들을 저장할 수 있다. 연결 리스트, 배열, 트리, 해시 테이블 등 모두가 구현 대상이다. 어떤 데이터 구조를 선택할 것인지는 어느 것이 효율적인가에 달렸다.

Sample Code

컴퓨터는 다양한 장비를 포함하는 객체로 컴퓨터와 장비 객체 간 “부분 - 전체” 관계가 성립한다. 본체는 드라이브와 평면 보드를 포함하고, 버스는 카드를, 캐비닛은 덮개와 버스를 포함하는 예제이다.

먼저 Equipment 클래스로 집합 관계에서 포함되는 장비 객체들에 대한 인터페이스를 정의한다.

class Equipment {
public:
    virtual ~Equipment();
    
    const char* Name() { return _name; }
    
    virtual Watt Power();
    virtual Currency NetPrice();
    virtual Currency DiscountPrice();
    
    virtual void Add(Equipment*);
    virtual void Remove(Equipment*);
    virtual Iterator<Equipment*>* CreateIterator();
    
protected:
    Equipment(const char*);
private:
    const char* _name;
};

Equipment 클래스는 장비의 가격을 반환하는 데 필요한 연산(NetPrice(), DiscountPrice())들에 대한 인터페이스를 정의하고, 이를 상속받은 서브클래스는 인터페이스에 대한 실제 구현을 정의하여 장비에 대한 가격을 반환하도록 한다.

Equipment 클래스는 CreateIterator() 연산을 선언해 자신이 포함하는 컴포넌트를 접근, 관리하는 데 필요한 Iterator를 만들어 반환한다. 기본 구현은 공집합을 순회하는 Iterator인 NullIterator를 반환한다.

Equipment의 서브클래스에는 디스크 드라이브, 집적 회로, 스위치 등을 나타내는 Leaf 클래스들이 포함된다.

class FloppyDisk : public Equipment {
public:
    FloppyDisk(const char*);
    virtual ~FloppyDisk();
    virtual Watt Power();
    virtual Currency NetPrice();
    virtual Currency DiscountPrice();
};

Equipment를 동일하게 상속받으면서 무엇인가 포함할 수 있는 객체를 CompositeEquipment로 정의한다.

class CompositeEquipment : public Equipment {
public:
    virtual ~CompositeEquipment();

    virtual Watt Power();
    virtual Currency NetPrice(); 
    virtual Currency DiscountPrice();

    virtual void Add(Equipment*);
    virtual void Remove(Equipment*);
    virtual Iterator<Equipment*>* CreateIterator();

protected:
    CompositeEquipment(const char*);
private:
    List<Equipment*> _equipment;
};

CompositeEquipment는 Equipment에 정의된 인터페이스에 대한 실제 구현을 제공하며, 복합 객체이므로 자신이 포함하는 부품들을 관리하는 연산을 정의한다. 즉, Add(), Remove()는 장비 리스트에 장비를 추가하거나 관리하는 연산이며, CreateIterator() 연산은 이 리스트를 순회하는 Iterator를 반환한다.

NetPrice()의 구현을 보면 CreateIterator()를 사용해 자신이 포함하는 각 컴포넌트를 구하고, 이 컴포넌트 객체에 다시 NetPrice() 메서드를 호출해 각 컴포넌트의 값을 구한 후 이 값들을 합산해 전체 가격을 구하고 있다.

Currency CompositeEquipment::NetPrice() {
    Iterator<Equipment*>* i = CreateIterator();
    Currency total = 0;
    for (i->First(); !i->IsDone(); i->Next()) {
        total += i->CurrentItem()->NetPrice();
    }
    delete i;
    return total;
}

이제 컴퓨터 섀시를 CompositeEquipment의 서브클래스인 Chassis로 나타낼 수 있다.

class Chassis : public CompositeEquipment {
public:
    Chassis(const char*);
    virtual ~Chassis();

    virtual Watt Power();
    virtual Currency NetPrice();
    virtual Currency DiscountPrice();
};

Cabinet과 Bus는 Chassis 클래스와 동일한 방법으로 복합 객체의 특성을 갖도록 정의한다.

Cabinet* cabinet = new Cabinet("PC Cabinet");
Chassis* chassis = new Chassis("PC Chassis");

cabinet->Add(chassis);

Bus* bus = new Bus("MCA Bus");
bus->Add(new Card("16Mbs Token Ring"));
chassis->Add(bus);
chassis->Add(new FloppyDisk("3.Bin Floppy"));
cout << "The netprice is " « chassis->NetPrice() << endl;

이제 컴퓨터 조립에 필요한 장치는 다 모인 셈이다.

Motivation#

Applicability#

Structure#

Collaborations#

Consequences#

Implementation#

Sample Code#