디자인패턴: Composite 패턴
composite 패턴의 특징과 각종 구현 방식에 대해 알아보자.
Composite 패턴
개요
Composite 패턴은 구조적 디자인 패턴으로, 객체들을 트리 구조로 구성하여 부분-전체 계층을 표현한다. 이 패턴을 통해 개별 객체와 객체들의 집합을 동일하게 처리할 수 있다.
패턴의 목적
Composite 패턴은 트리 형태의 계층 구조로 객체를 구성하고, 단일 객체와 복합 객체에 일관된 인터페이스를 제공하며, 객체 안에 다른 객체들을 포함할 수 있는 재귀적 구조를 지원한다.
기본 구현
Component 클래스
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public class GraphicObject
{
public virtual string Name { get; set; } = "Group";
public string Color;
private Lazy<List<GraphicObject>> children = new Lazy<List<GraphicObject>>();
public List<GraphicObject> Children => children.Value;
private void Print(StringBuilder builder, int depth)
{
builder.AppendLine(new string('*', depth))
.Append(string.IsNullOrWhiteSpace(Color) ? string.Empty : $"{Color}")
.Append(Name);
foreach (GraphicObject child in Children)
{
child.Print(builder, depth + 1);
}
}
public override string ToString()
{
var sb = new StringBuilder();
Print(sb, 0);
return sb.ToString();
}
}
Leaf 클래스들
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public class Circle : GraphicObject
{
public override string Name => "Circle";
}
public class Square : GraphicObject
{
public override string Name => "Square";
}
사용 예시
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static void Main(string[] args)
{
var drawing = new GraphicObject{Name = "My Drawing"};
drawing.Children.Add(new Square{Color = "Red"});
drawing.Children.Add(new Circle{Color = "Yellow"});
var group = new GraphicObject();
group.Children.Add(new Circle{Color = "Blue"});
group.Children.Add(new Square{Color = "Green"});
drawing.Children.Add(group);
System.Console.WriteLine(drawing);
}
구성 요소
Composite 패턴은 Component, Leaf, Composite 세 가지 주요 요소로 구성된다.
Component는 복합체와 개별 객체 모두에 대한 공통 인터페이스를 정의하며, 자식 객체들을 관리하는 기본 동작을 구현한다.
Leaf는 트리의 말단 노드 역할을 하며, Component를 상속받아 개별 객체의 동작을 구현한다.
Composite는 자식 컴포넌트들을 저장하고 관리하며, 자식 컴포넌트들에 대한 동작을 재귀적으로 호출한다.
핵심 특징
Lazy Initialization
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private Lazy<List<GraphicObject>> children = new Lazy<List<GraphicObject>>();
메모리 효율성을 위해 자식 컬렉션을 필요할 때만 생성하여 성능을 최적화하고 메모리 사용량을 감소시킨다.
재귀적 처리
Print 메서드는 현재 객체를 출력한 후 자식 객체들을 재귀적으로 처리하여 트리 구조를 시각적으로 표현한다.
IEnumerable을 활용한 고급 구현
Neural Network 예시
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public static class ExtensionMethods
{
public static void ConnectTo(this IEnumerable<Neuron> self, IEnumerable<Neuron> other)
{
if (ReferenceEquals(self, other)) return;
foreach (var from in self)
{
foreach (var to in other)
{
from.Out.Add(to);
to.In.Add(from);
}
}
}
}
public class Neuron : IEnumerable<Neuron>
{
private float value;
public List<Neuron> In, Out;
public IEnumerator<Neuron> GetEnumerator()
{
yield return this;
}
IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator()
{
return GetEnumerator();
}
}
public class NeuronLayer : Collection<Neuron>
{
// Collection<T>는 이미 IEnumerable<T>를 구현
}
고급 구현의 특징
이 접근법은 단일 객체를 컬렉션처럼 처리하며, 확장 메서드를 통해 통합 연산을 제공하고, 자기 참조를 방지하여 순환 참조로 인한 문제를 해결한다.
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static void Main(string[] args)
{
var neuron1 = new Neuron();
var neuron2 = new Neuron();
var layer1 = new NeuronLayer();
var layer2 = new NeuronLayer();
neuron1.ConnectTo(neuron2);
neuron1.ConnectTo(layer1);
layer1.ConnectTo(layer2);
}
장단점
장점
개별 객체와 복합 객체를 일관되게 처리할 수 있으며, 새로운 컴포넌트 타입을 쉽게 추가할 수 있다. 복잡한 트리 구조를 간단하게 표현하고, 객체의 복잡성을 숨겨 클라이언트 코드를 단순화한다.
단점
모든 컴포넌트가 동일한 인터페이스를 가져야 하므로 과도한 일반화가 발생할 수 있으며, 런타임에 특정 타입의 컴포넌트만 허용하기 어렵다. 단순한 구조에는 오버엔지니어링이 될 수 있다.
적용 사례
Composite 패턴은 UI 컴포넌트의 계층 구조, 파일 시스템의 디렉토리와 파일, 조직도의 부서와 직원 관계, 그래픽 편집기의 도형 그룹화 등에 활용된다.
관련 패턴
Decorator 패턴은 단일 객체에 동적으로 기능을 추가하는 반면, Composite는 객체들의 집합을 관리한다. Iterator 패턴은 Composite 구조를 순회할 때, Visitor 패턴은 각 노드에 대해 서로 다른 연산을 수행할 때 함께 사용된다.
결론
Composite 패턴은 계층적인 데이터나 중첩된 구조를 다룰 때 개별 객체와 객체 집합을 동일하게 처리할 수 있게 하여 코드의 일관성과 유지보수성을 향상시킨다. IEnumerable을 활용한 고급 구현은 C#의 타입 시스템과 LINQ의 장점을 활용하여 더욱 우아하고 효율적인 패턴 구현을 가능하게 한다.