在 LabVIEW 開發中，物件導向程式設計（Object-Oriented Programming, OOP）透過 LVOOP（LabVIEW Object-Oriented Programming）提供了一個強大的工具，讓開發者能夠以模組化、可重用且易於維護的方式設計複雜系統。其中，層次結構組合模式（Hierarchy Composition Pattern） 是一種關鍵的設計模式，特別適用於需要將一個物件表示為由多個較小同類型物件組成的樹狀結構的情況。本文將深入探討此模式的意圖、動機、實現方式以及在 LabVIEW 中的應用細節，幫助您在開發中提升效率與程式品質。
意圖（Intent）
層次結構組合模式的目的是將一個單一物件表示為由多個較小同類型物件組成的樹狀結構。這在許多場景中非常有用，例如：
- 影像處理：一個影像可以由多個子影像組成。
- 檔案系統：一個目錄可以包含檔案和其他子目錄。
- 自動化系統：一個複雜的圖形物件可以由多個簡單圖形元素組成。
這種模式的核心在於「整體」與「部分」之間共享相同的特徵與行為，進而簡化設計與實現。
動機（Motivation）
「組合（Composition）」是指一個類別將另一個類別作為其成員資料的一部分。層次結構組合模式特別針對的是當您設計一個類別，而這個類別將由多個自身的較小實例所組成的情況。這種遞迴結構允許開發者以一致的方式處理整體物件及其組成部分。例如，在 LabVIEW 中，您可以設計一個圖形類別（Graphic），而這個類別可以包含多個子圖形（Sub-Graphics），進而形成一個複雜的圖形結構。
這種模式的優勢在於：
- 一致性：整體與部分共享相同的介面，簡化操作。
- 靈活性：允許無限層次的巢狀結構，適應不同複雜度的需求。
- 可擴展性：容易新增新的子類型，而不影響現有程式碼。
實現方式（Implementation）
LabVIEW 提供了內建的範例來展示層次結構組合模式的應用。從 LabVIEW 8.2 開始，這個模式已有範例程式，並在 LabVIEW 8.6 中進行了顯著改進。您可以在以下路徑找到相關範例：
<labview>\\examples\\lvoop\\Graphics\\Graphics.lvproj
範例解析：Graphics 類別層次結構
這個範例包含一個名為 Graphic.lvclass 的類別層次結構，其設計如下：
- Graphic 類別：定義了一個可被繪製的基礎類別，包含一個方法
Draw.vi，子類別可以覆寫（override）此方法。 - 子類別：
Point.lvclass：表示單一點，擁有座標資料，並實現Render Picture.vi以繪製點。Line.lvclass：表示一條線，同樣擁有座標資料，並實現線的繪製邏輯。Circle.lvclass：表示一個圓，包含圓心與半徑資料，實現圓的繪製。Collection.lvclass：這是層次結構組合模式的核心。Collection本身是一個Graphic，但其私有資料是一個Graphics陣列。也就是說，Collection包含了其他Graphic物件（可以是點、線、圓，甚至是另一個Collection）。其Render Picture.vi的實現方式是遍歷內部陣列，並對每個元素呼叫Render Picture.vi。
巢狀結構與遞迴挑戰
您可以進一步在一個 Collection 內部再加入另一個 Collection，形成巢狀結構，創造出更複雜的圖形。然而，當 Collection 內包含另一個 Collection 時，呼叫 Render Picture.vi 會形成遞迴調用。從 LabVIEW 8.5 開始，LabVIEW 支援遞迴，只要將動態調度的 VI 設為可重入（Reentrant）並使用「Share clones」選項即可解決此問題。
編輯評論（Editorial Comments）
根據 Stephen Mercer 的觀點，LabVIEW 的類別控制項與指示器能夠包含自身或其後代類型，這使得 LabVIEW 類別與 C++ 或 Java 等其他物件導向語言中的類別有顯著不同。LabVIEW 提供了一種混合機制，允許類別直接包含另一個類別，或者以參考的方式包含另一個類別。這種「按值（by-value）」語法與其他語言中「按參考（by-reference）」的包含規則相結合，讓 LabVIEW 在設計上更具靈活性。
結論
層次結構組合模式是 LabVIEW 物件導向設計中的一項強大工具，特別適合用於處理具有樹狀結構的複雜系統。透過理解其意圖、動機與實現細節，您可以在影像處理、檔案系統或自動化控制等領域中，設計出更具模組化與可擴展性的程式碼架構。建議開發者在實際專案中參考 LabVIEW 提供的範例，進一步探索此模式在不同場景中的應用。
學習心智圖：LabVIEW 層次結構組合模式
以下是針對此主題的學習心智圖，幫助您快速掌握核心概念：
graph LR
A[LabVIEW 層次結構組合模式] --> B[意圖 Intent]
A --> C[動機 Motivation]
A --> D[實現 Implementation]
A --> E[挑戰與解決方案]
B --> B1[物件表示為樹狀結構]
B --> B2[適用場景: 影像處理、檔案系統、自動化]
B --> B3[整體與部分共享特徵]
C --> C1[組合: 類別包含其他類別]
C --> C2[遞迴結構: 類別包含自身實例]
C --> C3[優勢: 一致性、靈活性、可擴展性]
D --> D1[範例: Graphics.lvproj]
D --> D2[Graphic 類別: Draw.vi]
D --> D3[子類別: Point, Line, Circle]
D --> D4[Collection 類別: 包含 Graphics 陣列]
D --> D5[Render Picture.vi 遍歷繪製]
E --> E1[巢狀結構: Collection 內含 Collection]
E --> E2[遞迴調用問題]
E --> E3[解決方案: 設為 Reentrant 與 Share clones]