C++ 设计模式详解：分类、核心实现与实战建议

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。

class AbstractProductA {
public:
    virtual ~AbstractProductA() {}
    virtual void operationA() = 0;
};

class AbstractProductB {
public:
    virtual ~AbstractProductB() {}
    virtual void operationB() = 0;
};

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

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，而不是通过 new 关键字。适用于对象创建成本较高的场景。

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;
    }
};

二、结构型模式（7 个）

处理类和对象的组合方式，使它们能协同工作。

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。适配器模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。

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;
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。就增加功能来说，装饰器模式相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，此模式定义了一个高层接口，使得子系统更容易使用。

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;
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();
    }
};

三、行为型模式（11 个）

关注算法和责任的分配，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，该解释器使用该表示来解释语言中的句子。

class Context {};

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，从而使其耦合松散。

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。对象看起来似乎修改了它的类。

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。它使你可以在不改变各元素的类的前提下定义作用于这些元素的新操作。

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;
    }
};

四、学习建议与总结

在实际工作中，我们不可能也不应该掌握所有 23 种模式。根据经验，建议按以下优先级进行学习：

必须掌握的 5 个核心模式：

1. 单例模式：全局唯一实例管理，如配置、日志。
2. 工厂方法模式：对象创建解耦，易于扩展。
3. 观察者模式：事件驱动、消息通知系统的基础。
4. 策略模式：算法封装，运行时切换行为。
5. 装饰器模式：动态添加功能，比继承更灵活。

次常用的 5 个模式： 6. 适配器模式：解决接口不兼容问题。 7. 代理模式：访问控制、延迟加载。 8. 模板方法模式：定义算法框架。 9. 命令模式：命令封装、撤销/重做。 10. 外观模式：简化复杂子系统接口。

几点心得：

• 先理解应用场景，再记忆代码结构。
• 避免过度设计，只在必要时引入模式。
• 结合 C++11/14/17 的现代特性（如智能指针、Lambda）可以简化某些模式的实现细节。

这些模式是经过时间考验的解决方案，熟练掌握它们能帮助你构建更灵活、可维护的软件系统。