Patrón Composite

Parte de la sección Object Oriented Programming del Journey de Python de Coddy — lección 54 de 64.

El patrón Composite trata a los objetos individuales y a los grupos de objetos de manera uniforme. Crea estructuras de árbol donde tanto los elementos individuales como las colecciones de elementos comparten la misma interfaz.

Aquí hay componentes simples para un sistema de archivos:

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

Tanto los archivos como las carpetas tienen los mismos métodos (get_size() y display()), por lo que pueden ser tratados de manera uniforme.

Construye una estructura de sistema de archivos:

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

# Crear carpetas
documents = Folder("Documents")
media = Folder("Media")
root = Folder("Root")

# Construir la estructura de árbol
documents.add(file1)
media.add(file2)
media.add(file3)
root.add(documents)
root.add(media)

Usa la estructura compuesta:

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

Crea otro ejemplo con un sistema de menú:

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())

Salida:

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

Punto clave: El Patrón Composite le permite tratar objetos individuales y colecciones de objetos de la misma manera. Tanto las hojas (elementos individuales) como los compuestos (grupos) implementan la misma interfaz, lo que facilita el trabajo con estructuras de árbol como sistemas de archivos, menús o organigramas.

Desafío

Intermedio

En este desafío, implementarás una estructura de sistema de archivos utilizando el patrón de diseño Composite. El patrón Composite te permite componer objetos en estructuras de árbol para representar jerarquías de parte-todo, tratando a los objetos individuales y a las composiciones de objetos de manera uniforme.

El patrón Composite consiste en:

Component: Una clase abstracta que define la interfaz común para todas las clases concretas
Leaf: Representa los objetos finales de una composición que no tienen subelementos
Composite: Define el comportamiento para los componentes que tienen hijos y almacena los componentes hijos

Implementarás un sistema de archivos con:

Una clase abstracta FileSystemComponent (Component)
Una clase File (Leaf)
Una clase Directory (Composite)
Una clase FileSystem para gestionar la estructura general

Implementa la clase base abstracta con los métodos abstractos apropiados
Crea implementaciones concretas para archivos y directorios
Asegúrate de que los directorios puedan contener tanto archivos como otros directorios
Implementa operaciones recursivas como el cálculo del tamaño y la visualización
Añade operaciones basadas en rutas para agregar, eliminar y encontrar componentes
Maneja los casos de error de manera apropiada
Asegura una encapsulación adecuada de las propiedades de los componentes

Hoja de referencia

El Patrón Composite trata a los objetos individuales y a los grupos de objetos de manera uniforme mediante la creación de estructuras de árbol donde tanto los elementos individuales como las colecciones comparten la misma interfaz.

Ejemplo básico de sistema de archivos:

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

Construyendo la estructura:

# Crear archivos
file1 = File("document.txt", 10)
file2 = File("image.jpg", 50)

# Crear carpetas
documents = Folder("Documents")
root = Folder("Root")

# Construir estructura de árbol
documents.add(file1)
root.add(documents)

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

Ejemplo de sistema de menús:

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

Componentes del patrón:

Component: Clase abstracta que define la interfaz común
Leaf: Objetos finales sin subelementos (File, MenuItem)
Composite: Objetos con hijos que implementan la misma interfaz (Folder, Menu)

Beneficios clave: Trata a los objetos individuales y a las colecciones de manera uniforme, facilitando el trabajo con estructuras de árbol como sistemas de archivos, menús u organigramas.

Pruébalo tú mismo

# Importar todas las clases necesarias
from file_system import FileSystem
from directory import Directory
from file import File

# Manejador integral de casos de prueba
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()
    
    # Crear estructura de directorios
    docs = Directory("Documents")
    projects = Directory("Projects")
    fs.add_to_path("/", docs)
    fs.add_to_path("/Documents", projects)
    
    # Añadir archivos
    file1 = File("notes.txt", 120)
    file2 = File("project1.py", 450)
    fs.add_to_path("/Documents", file1)
    fs.add_to_path("/Documents/Projects", file2)
    
    # Probar operaciones de ruta
    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}")
    
    # Probar operaciones NotImplementedError
    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)
    
    # Buscar archivos existentes
    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()
    
    # Crear estructura compleja
    docs = Directory("Documents")
    images = Directory("Images")
    
    fs.add_to_path("/", docs)
    fs.add_to_path("/", images)
    
    # Añadir archivos con tamaños conocidos
    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)
    
    # Calcular tamaños
    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:
        # Crear estructura
        fs.add_to_path("/", Directory("home"))
        fs.add_to_path("/home", Directory("user"))
        fs.add_to_path("/home/user", File("profile.txt", 150))
        
        # Probar recuperación
        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}")
        
        # Probar eliminación
        fs.remove_from_path("/home/user/profile.txt")
        print("Profile removed successfully")
        
        # Intentar acceder al archivo eliminado
        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}")
    
    # Probar la asignación de nombres válidos
    file.name = "renamed.txt"
    directory.name = "RenamedDir"
    
    print(f"Renamed file: {file.name}")
    print(f"Renamed directory: {directory.name}")
    
    # Probar la asignación de un nombre vacío
    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()
    
    # Crear múltiples directorios y archivos
    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":
    # Probar archivo con tamaño 0
    zero_file = File("empty.txt", 0)
    print(f"Zero size file: {zero_file.get_size()} KB")
    
    # Probar directorio con nombre muy largo
    long_name = "A" * 100
    long_dir = Directory(long_name)
    print(f"Long directory name length: {len(long_dir.name)}")
    
    # Probar estructura profundamente anidada
    current = Directory("level0")
    root = current
    
    for i in range(1, 6):
        next_level = Directory(f"level{i}")
        current.add(next_level)
        current = next_level
    
    # Añadir archivo en el nivel más profundo
    deep_file = File("deep.txt", 100)
    current.add(deep_file)
    
    print("Deep nesting test:")
    print(root.display())
    
    # Probar operaciones en estructuras vacías
    empty = Directory("Empty")
    try:
        empty.remove(File("ghost.txt", 50))
    except ValueError as e:
        print(f"Empty structure removal error: {e}")