面向对象设计 — Ran Wei

第五模块：组合与聚合

由对象构建对象——生命周期所有权与共享引用、UML实心/空心菱形符号与SysML v2的part vs ref。

预备知识: OOD 第四模块Python 3UML 2.5SysML v2

组合与聚合

🏠 生活类比

想象一栋房子与它的房间（组合）：房子拆了，房间也消失。对比图书馆与它的藏书（聚合）：图书馆关闭了，书本身依然存在，可以转移到其他地方。

has-a关系的两种形式，具有截然不同的生命周期语义：

关系	含义与生命周期
组合 ◆	强所有权。子对象在父对象内部创建，与父对象共存亡。删除父对象会删除子对象。
聚合 ◇	弱引用。子对象独立存在，可从多处共享引用。删除容器不影响被引用对象。

ℹ️ 关键判断标准

删除容器，被包含的对象是否也应该被销毁？是 → 组合。否（独立存在，可被他处引用）→ 聚合。

组合实践

Order在内部创建OrderItem和Payment——它们在Order之外没有任何意义：

Python

class Order:
    def __init__(self, order_id, customer):
        self.order_id=order_id; self._status="draft"
        self._items: list[OrderItem] = []   # 组合：在此创建
        self._payment: Payment | None = None

    def add_item(self, book, qty=1):
        self._items.append(OrderItem(book, qty, book.price))

    def place(self, method):
        self._payment = Payment("PAY-"+self.order_id, self.total(), method)
        self._payment.process(); self._status="placed"

    def cancel(self):
        if self._payment: self._payment.refund()
        self._status="cancelled"  # _items和_payment随后被垃圾回收

diagram — 图1 — 实心菱形：Order拥有OrderItem（1..*）和Payment（1）。OrderItem到Book的虚线箭头是聚合——Book在Inventory中独立存在。

聚合实践

ShoppingCart和Inventory持有Book的引用但不拥有所有权。同一个Book对象可以同时被多个容器引用：

Python

class ShoppingCart:
    def __init__(self, cart_id):
        self._items: list[Book] = []   # 聚合：外部引用

    def add_item(self, book): self._items.append(book)
    def remove_item(self, book): self._items.remove(book)  # book依然存在

    def to_order(self, order_id, customer):
        order = Order(order_id, customer)
        for book in self._items: order.add_item(book)
        self._items.clear()   # 购物车清空，书本身仍在其他地方存在
        return order

💡 对象同一性

两个容器持有对完全相同Python对象的引用。当Inventory更新Book的库存时，引用该Book的购物车立即能看到变化——它们共享同一个对象。

组合 vs 继承

场景	正确关系
"DigitalBook是一种Book"	继承 ✔ — 明确且永久成立
"ShoppingCart拥有Book"	聚合 ✔ — 购物车不是一种Book
"Order拥有Payment"	组合 ✔ — 付款是订单的组成部分
"带日志功能的Customer"	组合或装饰器 ✔ — 不是新的Customer类型

⚠️ 注意

优先选择组合而非继承。is-a测试不能明确且永久成立时，请使用组合。深层继承层次结构很脆弱——修改父类会影响所有子类。

SysML v2 对应

SysML v2

// 组合：Order拥有其子对象
part def Order {
    part items   : OrderItem[1..*];  // 拥有的生命周期
    part payment : Payment;          // 拥有的生命周期
}
// 聚合：ShoppingCart引用共享的Book
part def ShoppingCart {
    ref items : Book[0..*];          // 不拥有——共享引用
}

Python / OOD

SysML v2

组合（内部创建）

→

part x : ChildClass

聚合（外部引用）

→

ref x : SomeType

UML实心菱形 ◆

→

part关键字（拥有的生命周期）

UML空心菱形 ◇

→

ref关键字（共享引用）

总结

组合 ◆

强所有权。子对象随所有者创建和销毁。Order拥有OrderItem和Payment。

聚合 ◇

共享引用。对象独立存在，可从多处共享。

关键判断

删除容器=销毁子对象？是=组合。否=聚合。

vs继承

is-a不明确时优先选择组合。产生更少耦合，更易于更改。

Python

组合=内部构建。聚合=接受参数或引用现有对象。

SysML v2

part=拥有生命周期。ref=共享引用。