C++ 设计模式详解：创建型、结构型与行为型实战

C++ 设计模式详解：创建型、结构型与行为型实战

设计模式是解决软件设计中常见问题的成熟方案。在 C++ 开发中，理解并灵活运用这些模式能显著提升代码的可维护性和扩展性。本文将 23 种经典模式分为三大类进行梳理，并结合实际代码示例说明核心实现逻辑。

创建型模式（5 个）

这类模式专注于对象的创建机制，旨在解耦对象的使用者与创建过程。

1. 单例模式 (Singleton)

确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。常用于配置管理器或日志系统。

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    Singleton() {} // 私有构造函数

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

    // 禁止拷贝和赋值
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};

2. 工厂方法模式 (Factory Method)

定义创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。适用于需要灵活扩展产品族的场景。

// 产品接口
class Product {
public:
    virtual ~Product() {}
    virtual void operation() = 0;
};

// 具体产品
class ConcreteProductA : public Product {
public:
    void operation() override { 
        std::cout << "Product A operation" << std::endl; 
    }
};

// 工厂接口
class Creator {
public:
    virtual ~Creator() {}
    virtual Product* factoryMethod() = 0;
};

// 具体工厂
class ConcreteCreatorA : public Creator {
public:
    Product* factoryMethod() override {
        return new ConcreteProductA();
    }
};

3. 抽象工厂模式 (Abstract Factory)

提供一个接口，用于创建相关或依赖对象的家族，而不需要明确指定具体类。

// 抽象产品 A
class AbstractProductA {
public:
    virtual ~AbstractProductA() {}
    virtual void operationA() = 0;
};

// 抽象产品 B
class AbstractProductB {
public:
    virtual ~AbstractProductB() {}
    virtual void operationB() = 0;
};

// 抽象工厂
class AbstractFactory {
public:
    virtual AbstractProductA* createProductA() = 0;
    virtual AbstractProductB* createProductB() = 0;
};

// 具体工厂 1
class ConcreteFactory1 : public AbstractFactory {
public:
    AbstractProductA* createProductA() override { return new ConcreteProductA1(); }
    AbstractProductB* createProductB() override { return new ConcreteProductB1(); }
};

4. 建造者模式 (Builder)

将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

class Product {
private:
    std::string partA;
    std::string partB;
public:
    void setPartA(const std::string& a) { partA = a; }
    void setPartB(const std::string& b) { partB = b; }
};

class Builder {
public:
    virtual ~Builder() {}
    virtual void buildPartA() = 0;
    virtual void buildPartB() = 0;
    virtual Product* getResult() = 0;
};

class Director {
private:
    Builder* builder;
public:
    Director(Builder* b) : builder(b) {}
    void construct() {
        builder->buildPartA();
        builder->buildPartB();
    }
};

5. 原型模式 (Prototype)

通过复制现有实例来创建新实例，避免重复初始化开销。

class Prototype {
public:
    virtual ~Prototype() {}
    virtual Prototype* clone() const = 0;
    virtual void print() const = 0;
};

class ConcretePrototype : public Prototype {
private:
    int data;
public:
    ConcretePrototype(int d) : data(d) {}
    Prototype* clone() const override { return new ConcretePrototype(*this); }
    void print() const override { 
        std::cout << "Data: " << data << std::endl; 
    }
};

结构型模式（7 个）

处理类和对象的组合方式，使它们能更好地协同工作。

6. 适配器模式 (Adapter)

将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使原本不兼容的类可以一起工作。

class Target {
public:
    virtual ~Target() {}
    virtual void request() { 
        std::cout << "Target request" << std::endl; 
    }
};

class Adaptee {
public:
    void specificRequest() { 
        std::cout << "Adaptee specific request" << std::endl; 
    }
};

class Adapter : public Target {
private:
    Adaptee* adaptee;
public:
    Adapter(Adaptee* a) : adaptee(a) {}
    void request() override { 
        adaptee->specificRequest(); 
    }
};

7. 桥接模式 (Bridge)

将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化。

class Implementor {
public:
    virtual ~Implementor() {}
    virtual void operationImpl() = 0;
};

class Abstraction {
protected:
    Implementor* impl;
public:
    Abstraction(Implementor* i) : impl(i) {}
    virtual ~Abstraction() {}
    virtual void operation() { 
        impl->operationImpl(); 
    }
};

8. 组合模式 (Composite)

将对象组合成树形结构以表示'部分 - 整体'的层次结构，使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。

class Component {
public:
    virtual ~Component() {}
    virtual void operation() = 0;
    virtual void add(Component*) {}
    virtual void remove(Component*) {}
    virtual Component* getChild(int) { return nullptr; }
};

class Leaf : public Component {
public:
    void operation() override { 
        std::cout << "Leaf operation" << std::endl; 
    }
};

class Composite : public Component {
private:
    std::vector<Component*> children; // 需包含 <vector>
public:
    void operation() override { 
        std::cout << "Composite operation" << std::endl;
        for (auto child : children) {
            child->operation();
        }
    }
    void add(Component* c) override { 
        children.push_back(c); 
    }
};

9. 装饰器模式 (Decorator)

动态地给一个对象添加一些额外的职责，比生成子类更为灵活。

class Component {
public:
    virtual ~Component() {}
    virtual void operation() = 0;
};

class ConcreteComponent : public Component {
public:
    void operation() override { 
        std::cout << "ConcreteComponent operation" << std::endl; 
    }
};

class Decorator : public Component {
protected:
    Component* component;
public:
    Decorator(Component* c) : component(c) {}
    void operation() override { 
        component->operation(); 
    }
};

class ConcreteDecorator : public Decorator {
public:
    ConcreteDecorator(Component* c) : Decorator(c) {}
    void operation() override {
        Decorator::operation();
        addedBehavior();
    }
    void addedBehavior() { 
        std::cout << "Added behavior" << std::endl; 
    }
};

10. 外观模式 (Facade)

为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，定义一个高层接口，使子系统更容易使用。

class SubsystemA {
public:
    void operationA() { 
        std::cout << "Subsystem A operation" << std::endl; 
    }
};

class SubsystemB {
public:
    void operationB() { 
        std::cout << "Subsystem B operation" << std::endl; 
    }
};

class Facade {
private:
    SubsystemA* a;
    SubsystemB* b;
public:
    Facade() : a(new SubsystemA()), b(new SubsystemB()) {}
    void operation() {
        a->operationA();
        b->operationB();
    }
};

11. 享元模式 (Flyweight)

运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。

class Flyweight {
public:
    virtual ~Flyweight() {}
    virtual void operation(int extrinsicState) = 0;
};

class ConcreteFlyweight : public Flyweight {
private:
    int intrinsicState;
public:
    ConcreteFlyweight(int state) : intrinsicState(state) {}
    void operation(int extrinsicState) override { 
        std::cout << "Intrinsic: " << intrinsicState << ", Extrinsic: " << extrinsicState << std::endl; 
    }
};

class FlyweightFactory {
private:
    std::unordered_map<int, Flyweight*> flyweights; // 需包含 <unordered_map>
public:
    Flyweight* getFlyweight(int key) {
        if (flyweights.find(key) == flyweights.end()) {
            flyweights[key] = new ConcreteFlyweight(key);
        }
        return flyweights[key];
    }
};

12. 代理模式 (Proxy)

为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。

class Subject {
public:
    virtual ~Subject() {}
    virtual void request() = 0;
};

class RealSubject : public Subject {
public:
    void request() override { 
        std::cout << "RealSubject request" << std::endl; 
    }
};

class Proxy : public Subject {
private:
    RealSubject* realSubject;
public:
    Proxy() : realSubject(nullptr) {}
    void request() override {
        if (realSubject == nullptr) {
            realSubject = new RealSubject();
        }
        realSubject->request();
    }
};

行为型模式（11 个）

关注算法和职责分配，描述对象之间如何通信。

13. 责任链模式 (Chain of Responsibility)

使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。

class Handler {
protected:
    Handler* successor;
public:
    Handler() : successor(nullptr) {}
    virtual ~Handler() {}
    void setSuccessor(Handler* s) { successor = s; }
    virtual void handleRequest(int request) = 0;
};

class ConcreteHandler1 : public Handler {
public:
    void handleRequest(int request) override {
        if (request < 10) {
            std::cout << "Handler1 handled request " << request << std::endl;
        } else if (successor != nullptr) {
            successor->handleRequest(request);
        }
    }
};

14. 命令模式 (Command)

将一个请求封装为一个对象，从而使你可用不同的请求对客户进行参数化。

class Receiver {
public:
    void action() { 
        std::cout << "Receiver action" << std::endl; 
    }
};

class Command {
public:
    virtual ~Command() {}
    virtual void execute() = 0;
};

class ConcreteCommand : public Command {
private:
    Receiver* receiver;
public:
    ConcreteCommand(Receiver* r) : receiver(r) {}
    void execute() override { 
        receiver->action(); 
    }
};

class Invoker {
private:
    Command* command;
public:
    void setCommand(Command* c) { command = c; }
    void executeCommand() { 
        command->execute(); 
    }
};

15. 解释器模式 (Interpreter)

给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器。

class Context {
    // 上下文信息
};

class Expression {
public:
    virtual ~Expression() {}
    virtual bool interpret(Context& context) = 0;
};

class TerminalExpression : public Expression {
public:
    bool interpret(Context& context) override {
        // 终结符解释逻辑
        return true;
    }
};

16. 迭代器模式 (Iterator)

提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不暴露其内部的表示。

template<typename T>
class Iterator {
public:
    virtual ~Iterator() {}
    virtual T next() = 0;
    virtual bool hasNext() = 0;
};

template<typename T>
class ConcreteIterator : public Iterator<T> {
private:
    std::vector<T> collection;
    size_t position;
public:
    ConcreteIterator(const std::vector<T>& col) : collection(col), position(0) {}
    T next() override { return collection[position++]; }
    bool hasNext() override { return position < collection.size(); }
};

17. 中介者模式 (Mediator)

用一个中介对象来封装一系列的对象交互，中介者使各对象不需要显式地相互引用。

class Colleague;
class Mediator {
public:
    virtual ~Mediator() {}
    virtual void notify(Colleague* sender, std::string event) = 0;
};

class Colleague {
protected:
    Mediator* mediator;
public:
    Colleague(Mediator* m = nullptr) : mediator(m) {}
    void setMediator(Mediator* m) { mediator = m; }
};

class ConcreteColleague1 : public Colleague {
public:
    void doSomething() {
        // ... 自己的逻辑
        mediator->notify(this, "event1");
    }
};

18. 备忘录模式 (Memento)

在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。

class Memento {
private:
    std::string state;
public:
    Memento(const std::string& s) : state(s) {}
    std::string getState() const { return state; }
};

class Originator {
private:
    std::string state;
public:
    void setState(const std::string& s) { state = s; }
    std::string getState() const { return state; }
    Memento* createMemento() { return new Memento(state); }
    void restoreMemento(Memento* m) { state = m->getState(); }
};

19. 观察者模式 (Observer)

定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。

class Observer {
public:
    virtual ~Observer() {}
    virtual void update(float temperature) = 0;
};

class Subject {
private:
    std::vector<Observer*> observers;
public:
    void attach(Observer* o) { observers.push_back(o); }
    void detach(Observer* o) { /* 移除观察者逻辑 */ }
    void notify(float temperature) {
        for (auto observer : observers) {
            observer->update(temperature);
        }
    }
};

class ConcreteObserver : public Observer {
public:
    void update(float temperature) override { 
        std::cout << "Temperature updated: " << temperature << std::endl; 
    }
};

20. 状态模式 (State)

允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。

class Context;
class State {
public:
    virtual ~State() {}
    virtual void handle(Context* context) = 0;
};

class Context {
private:
    State* state;
public:
    Context(State* s) : state(s) {}
    void setState(State* s) { state = s; }
    void request() { state->handle(this); }
};

class ConcreteStateA : public State {
public:
    void handle(Context* context) override;
};

21. 策略模式 (Strategy)

定义一系列的算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可相互替换。

class Strategy {
public:
    virtual ~Strategy() {}
    virtual void algorithm() = 0;
};

class ConcreteStrategyA : public Strategy {
public:
    void algorithm() override { 
        std::cout << "Strategy A algorithm" << std::endl; 
    }
};

class Context {
private:
    Strategy* strategy;
public:
    Context(Strategy* s) : strategy(s) {}
    void setStrategy(Strategy* s) { strategy = s; }
    void executeStrategy() { strategy->algorithm(); }
};

22. 模板方法模式 (Template Method)

定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。

class AbstractClass {
public:
    virtual ~AbstractClass() {}
    void templateMethod() {
        primitiveOperation1();
        primitiveOperation2();
    }
    virtual void primitiveOperation1() = 0;
    virtual void primitiveOperation2() = 0;
};

class ConcreteClass : public AbstractClass {
public:
    void primitiveOperation1() override { 
        std::cout << "Concrete operation 1" << std::endl; 
    }
    void primitiveOperation2() override { 
        std::cout << "Concrete operation 2" << std::endl; 
    }
};

23. 访问者模式 (Visitor)

表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。

class ConcreteElementA;
class ConcreteElementB;
class Visitor {
public:
    virtual ~Visitor() {}
    virtual void visit(ConcreteElementA* element) = 0;
    virtual void visit(ConcreteElementB* element) = 0;
};

class Element {
public:
    virtual ~Element() {}
    virtual void accept(Visitor* visitor) = 0;
};

class ConcreteElementA : public Element {
public:
    void accept(Visitor* visitor) override { visitor->visit(this); }
    void operationA() { 
        std::cout << "Operation A" << std::endl; 
    }
};

学习建议

在实际项目中，不必死记硬背所有模式。建议优先掌握以下核心模式：

1. 单例模式：全局唯一实例，如配置管理器。
2. 工厂方法模式：对象创建解耦，易于扩展。
3. 观察者模式：事件处理、消息通知系统。
4. 策略模式：算法封装，运行时切换。
5. 装饰器模式：动态添加功能。

次常用的还有适配器、代理、模板方法和命令模式。学习时请多关注应用场景而非单纯背诵代码，避免过度设计。利用 C++11/14/17 的现代特性（如智能指针、lambda）可以进一步简化某些模式的实现。