Kompositumsmuster

Teil des Abschnitts Objektorientierte Programmierung der Python-Journey von Coddy. Lektion 54 von 64.

Das Kompositum-Muster behandelt einzelne Objekte und Gruppen von Objekten einheitlich. Es erstellt Baumstrukturen, in denen sowohl einzelne Elemente als auch Sammlungen von Elementen dieselbe Schnittstelle verwenden.

Hier sind einfache Komponenten für ein Dateisystem:

class File:
    def __init__(self, name, size):
        self.name = name
        self.size = size
    
    def get_size(self):
        return self.size
    
    def display(self):
        return f"File: {self.name} ({self.size}KB)"

class Folder:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.children = []
    
    def add(self, item):
        self.children.append(item)
    
    def get_size(self):
        total = 0
        for child in self.children:
            total += child.get_size()
        return total
    
    def display(self):
        result = f"Folder: {self.name}"
        for child in self.children:
            result += f"\n  {child.display()}"
        return result

Sowohl Dateien als auch Ordner verfügen über dieselben Methoden (get_size() und display()), sodass sie einheitlich behandelt werden können.

Erstelle eine Dateisystemstruktur:

# Dateien erstellen
file1 = File("document.txt", 10)
file2 = File("image.jpg", 50)
file3 = File("video.mp4", 200)

# Ordner erstellen
documents = Folder("Documents")
media = Folder("Media")
root = Folder("Root")

# Baumstruktur aufbauen
documents.add(file1)
media.add(file2)
media.add(file3)
root.add(documents)
root.add(media)

Verwende die Kompositum-Struktur:

print(f"Root size: {root.get_size()}KB")
print(root.display())

Erstelle ein weiteres Beispiel mit einem Menüsystem:

class MenuItem:
    def __init__(self, name, price):
        self.name = name
        self.price = price
    
    def get_price(self):
        return self.price
    
    def show(self):
        return f"{self.name}: ${self.price}"

class Menu:
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.items = []
    
    def add(self, item):
        self.items.append(item)
    
    def get_price(self):
        total = 0
        for item in self.items:
            total += item.get_price()
        return total
    
    def show(self):
        result = f"{self.name} Menu:"
        for item in self.items:
            result += f"\n  {item.show()}"
        return result

combo = Menu("Combo")
combo.add(MenuItem("Burger", 8))
combo.add(MenuItem("Fries", 3))
combo.add(MenuItem("Drink", 2))

print(f"Combo price: ${combo.get_price()}")
print(combo.show())

Ausgabe:

Root size: 260KB
Folder: Root
  Folder: Documents
    File: document.txt (10KB)
  Folder: Media
    File: image.jpg (50KB)
    File: video.mp4 (200KB)
Combo price: $13
Combo Menu:
  Burger: $8
  Fries: $3
  Drink: $2

Wichtiger Punkt: Mit dem Composite-Muster kannst du einzelne Objekte und Sammlungen von Objekten auf dieselbe Weise behandeln. Sowohl Blätter (einzelne Elemente) als auch Komposite (Gruppen) implementieren dieselbe Schnittstelle, wodurch sich Baumstrukturen wie Dateisysteme, Menüs oder Organigramme leicht bearbeiten lassen.

Aufgabe

Mittel

In dieser Aufgabe implementierst du eine Dateisystemstruktur mithilfe des Composite-Entwurfsmusters. Das Composite-Muster ermöglicht es dir, Objekte zu Baumstrukturen zusammenzusetzen, um Teil-Ganzes-Hierarchien darzustellen, wobei einzelne Objekte und Objektzusammensetzungen einheitlich behandelt werden.

Das Composite-Muster besteht aus:

Komponente: Eine abstrakte Klasse, die die gemeinsame Schnittstelle für alle konkreten Klassen definiert
Blatt: Repräsentiert Endobjekte einer Zusammensetzung ohne Unterelemente
Composite: Definiert das Verhalten für Komponenten mit Kindern und speichert untergeordnete Komponenten

Du implementierst ein Dateisystem mit:

Einer abstrakten FileSystemComponent-Klasse (Komponente)
Einer File-Klasse (Blatt)
Einer Directory-Klasse (Composite)
Einer FileSystem-Klasse zur Verwaltung der Gesamtstruktur

Implementiere die abstrakte Basisklasse mit geeigneten abstrakten Methoden
Erstelle konkrete Implementierungen für Dateien und Verzeichnisse
Stelle sicher, dass Verzeichnisse sowohl Dateien als auch andere Verzeichnisse enthalten können
Implementiere rekursive Operationen wie Größenberechnung und Anzeige
Füge pfadbasierte Operationen zum Hinzufügen, Entfernen und Auffinden von Komponenten hinzu
Behandle Fehlerfälle angemessen
Stelle die korrekte Kapselung der Komponenteneigenschaften sicher

Pfade sind Zeichenketten wie /Documents/Projects. add_to_path fügt eine Komponente innerhalb des Verzeichnisses am Pfad hinzu (/ ist das Stammverzeichnis), während get_from_path und remove_from_path die Datei oder das Verzeichnis am Pfad ansprechen. Die TODO-Kommentare in jeder Datei legen die genauen Schritte und Fehlermeldungen fest.

Probier es selbst

# Alle notwendigen Klassen importieren
from file_system import FileSystem
from directory import Directory
from file import File

# Umfassender Testfall-Handler
test_case = input()

if test_case == "basic_file_test":
    file = File("test.txt", 100)
    print(f"Name: {file.name}")
    print(f"Size: {file.get_size()} KB")
    print(file.display())

elif test_case == "basic_directory_test":
    documents = Directory("Documents")
    file1 = File("resume.pdf", 250)
    file2 = File("cover_letter.doc", 180)
    documents.add(file1)
    documents.add(file2)
    print(f"Total size: {documents.get_size()} KB")
    print(documents.display())

elif test_case == "file_system_basic_test":
    fs = FileSystem()
    readme = File("README.md", 50)
    fs.add_to_path("/", readme)
    print(fs.display())
    print(f"Total system size: {fs.get_total_size()} KB")

elif test_case == "nested_directory_test":
    fs = FileSystem()
    docs = Directory("Documents")
    projects = Directory("Projects")
    
    fs.add_to_path("/", docs)
    fs.add_to_path("/Documents", projects)
    
    project_file = File("main.py", 300)
    readme = File("README.md", 75)
    
    fs.add_to_path("/Documents/Projects", project_file)
    fs.add_to_path("/Documents/Projects", readme)
    
    print(fs.display())

elif test_case == "path_operations_test":
    fs = FileSystem()
    
    # Create directory structure
    docs = Directory("Documents")
    projects = Directory("Projects")
    fs.add_to_path("/", docs)
    fs.add_to_path("/Documents", projects)
    
    # Dateien hinzufügen
    file1 = File("notes.txt", 120)
    file2 = File("project1.py", 450)
    fs.add_to_path("/Documents", file1)
    fs.add_to_path("/Documents/Projects", file2)
    
    # Pfadoperationen testen
    retrieved_docs = fs.get_from_path("/Documents")
    retrieved_file = fs.get_from_path("/Documents/Projects/project1.py")
    
    print(f"Documents directory size: {retrieved_docs.get_size()} KB")
    print(f"Retrieved file: {retrieved_file.name} ({retrieved_file.get_size()} KB)")

elif test_case == "file_validation_test":
    try:
        invalid_file = File("negative.txt", -50)
        print("Validation failed - should have raised ValueError")
    except ValueError as e:
        print(f"Caught expected error: {e}")
    
    # NotImplementedError-Operationen testen
    valid_file = File("test.txt", 100)
    try:
        valid_file.add(File("other.txt", 50))
    except NotImplementedError as e:
        print(f"Add operation error: {e}")
    
    try:
        valid_file.get_component("nonexistent")
    except NotImplementedError as e:
        print(f"Get component error: {e}")

elif test_case == "directory_duplicate_test":
    directory = Directory("TestDir")
    file1 = File("duplicate.txt", 100)
    file2 = File("duplicate.txt", 200)
    
    directory.add(file1)
    print("First file added successfully")
    
    try:
        directory.add(file2)
        print("Duplicate check failed")
    except ValueError as e:
        print(f"Caught expected duplicate error: {e}")

elif test_case == "component_removal_test":
    directory = Directory("TestDir")
    file1 = File("file1.txt", 100)
    file2 = File("file2.txt", 150)
    file3 = File("file3.txt", 200)
    
    directory.add(file1)
    directory.add(file2)
    directory.add(file3)
    
    print("Initial state:")
    print(directory.display())
    
    directory.remove(file2)
    print("\nAfter removing file2.txt:")
    print(directory.display())
    
    try:
        nonexistent = File("ghost.txt", 50)
        directory.remove(nonexistent)
    except ValueError as e:
        print(f"\nRemoval error: {e}")

elif test_case == "recursive_search_test":
    root_dir = Directory("root")
    subdir1 = Directory("subdir1")
    subdir2 = Directory("subdir2")
    
    file1 = File("target.txt", 100)
    file2 = File("other.txt", 150)
    file3 = File("deep.txt", 200)
    
    root_dir.add(subdir1)
    subdir1.add(subdir2)
    subdir1.add(file1)
    subdir2.add(file3)
    root_dir.add(file2)
    
    # Nach vorhandenen Dateien suchen
    found1 = root_dir.find_component_recursive("target.txt")
    found2 = root_dir.find_component_recursive("deep.txt")
    not_found = root_dir.find_component_recursive("missing.txt")
    
    print(f"Found target.txt: {found1.name if found1 else 'Not found'}")
    print(f"Found deep.txt: {found2.name if found2 else 'Not found'}")
    print(f"Found missing.txt: {not_found.name if not_found else 'Not found'}")

elif test_case == "size_calculation_test":
    fs = FileSystem()
    
    # Komplexe Struktur erstellen
    docs = Directory("Documents")
    images = Directory("Images")
    
    fs.add_to_path("/", docs)
    fs.add_to_path("/", images)
    
    # Dateien mit bekannten Größen hinzufügen
    doc1 = File("doc1.txt", 100)
    doc2 = File("doc2.txt", 200)
    img1 = File("img1.jpg", 500)
    img2 = File("img2.png", 300)
    
    fs.add_to_path("/Documents", doc1)
    fs.add_to_path("/Documents", doc2)
    fs.add_to_path("/Images", img1)
    fs.add_to_path("/Images", img2)
    
    # Größen berechnen
    docs_size = fs.get_from_path("/Documents").get_size()
    images_size = fs.get_from_path("/Images").get_size()
    total_size = fs.get_total_size()
    
    print(f"Documents size: {docs_size} KB")
    print(f"Images size: {images_size} KB")
    print(f"Total size: {total_size} KB")
    print(f"Sum verification: {docs_size + images_size == total_size}")

elif test_case == "display_formatting_test":
    root = Directory("root")
    level1 = Directory("level1")
    level2 = Directory("level2")
    
    file1 = File("root_file.txt", 100)
    file2 = File("level1_file.txt", 200)
    file3 = File("level2_file.txt", 300)
    
    root.add(file1)
    root.add(level1)
    level1.add(file2)
    level1.add(level2)
    level2.add(file3)
    
    print("Formatted directory structure:")
    print(root.display())

elif test_case == "file_system_path_test":
    fs = FileSystem()
    
    try:
        # Struktur erstellen
        fs.add_to_path("/", Directory("home"))
        fs.add_to_path("/home", Directory("user"))
        fs.add_to_path("/home/user", File("profile.txt", 150))
        
        # Abruf testen
        user_dir = fs.get_from_path("/home/user")
        profile = fs.get_from_path("/home/user/profile.txt")
        
        print(f"User directory: {user_dir.name}")
        print(f"Profile file: {profile.name}")
        
        # Entfernung testen
        fs.remove_from_path("/home/user/profile.txt")
        print("Profile removed successfully")
        
        # Versuche, auf die entfernte Datei zuzugreifen
        try:
            fs.get_from_path("/home/user/profile.txt")
        except ValueError as e:
            print(f"Expected error accessing removed file: {e}")
            
    except ValueError as e:
        print(f"Path operation error: {e}")

elif test_case == "empty_directory_test":
    empty_dir = Directory("Empty")
    
    print(f"Empty directory size: {empty_dir.get_size()} KB")
    print("Empty directory display:")
    print(empty_dir.display())
    
    result = empty_dir.get_component("nonexistent")
    print(f"Get nonexistent component: {result}")

elif test_case == "name_property_test":
    file = File("original.txt", 100)
    directory = Directory("OriginalDir")
    
    print(f"Original file name: {file.name}")
    print(f"Original directory name: {directory.name}")
    
    # Teste das Setzen gültiger Namen
    file.name = "renamed.txt"
    directory.name = "RenamedDir"
    
    print(f"Renamed file: {file.name}")
    print(f"Renamed directory: {directory.name}")
    
    # Teste das Setzen eines leeren Namens
    try:
        file.name = ""
        print("Empty name validation failed")
    except ValueError as e:
        print(f"Empty name error: {e}")

elif test_case == "large_file_system_test":
    fs = FileSystem()
    
    # Erstelle mehrere Verzeichnisse und Dateien
    directories = ["Documents", "Images", "Videos", "Music"]
    file_counts = [5, 3, 2, 4]
    base_sizes = [100, 500, 1000, 200]
    
    total_files = 0
    total_directories = len(directories)
    
    for i, dir_name in enumerate(directories):
        fs.add_to_path("/", Directory(dir_name))
        
        for j in range(file_counts[i]):
            file_name = f"file_{j+1}.ext"
            file_size = base_sizes[i] + (j * 50)
            fs.add_to_path(f"/{dir_name}", File(file_name, file_size))
            total_files += 1
    
    print(f"Created {total_directories} directories")
    print(f"Created {total_files} files")
    print(f"Total system size: {fs.get_total_size()} KB")
    print("\nSystem structure:")
    print(fs.display())

elif test_case == "edge_cases_test":
    # Teste Datei mit Größe 0
    zero_file = File("empty.txt", 0)
    print(f"Zero size file: {zero_file.get_size()} KB")
    
    # Teste Verzeichnis mit sehr langem Namen
    long_name = "A" * 100
    long_dir = Directory(long_name)
    print(f"Long directory name length: {len(long_dir.name)}")
    
    # Teste tief verschachtelte Struktur
    current = Directory("level0")
    root = current
    
    for i in range(1, 6):
        next_level = Directory(f"level{i}")
        current.add(next_level)
        current = next_level
    
    # Füge Datei auf der tiefsten Ebene hinzu
    deep_file = File("deep.txt", 100)
    current.add(deep_file)
    
    print("Deep nesting test:")
    print(root.display())
    
    # Teste Operationen an leeren Strukturen
    empty = Directory("Empty")
    try:
        empty.remove(File("ghost.txt", 50))
    except ValueError as e:
        print(f"Empty structure removal error: {e}")