C++ 设计模式核心概览与实战实现

C++ 设计模式核心概览与实战实现

设计模式是解决特定软件设计问题的可复用方案。在 C++ 中，它们主要分为三大类：创建型、结构型和行为型。以下整理了 23 种常见模式的分类及代码示例，重点展示常用模式的实现细节。

一、创建型模式（5 个）

1. 单例模式（Singleton）

适用场景：全局唯一实例，如配置管理器、日志管理器。

// 假设已引入 iostream 和 using namespace std;
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;
    }
    // 删除拷贝构造和赋值操作符，防止复制
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;
};
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

2. 工厂方法模式（Factory Method）

适用场景：对象创建解耦，易于扩展新类型。

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

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

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

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

3. 抽象工厂模式（Abstract Factory）

适用场景：创建一系列相关或依赖的对象，无需指定具体类。

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）

适用场景：构建复杂对象，步骤分离。

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）

适用场景：通过复制现有对象来创建新对象。

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）

6. 适配器模式（Adapter）

适用场景：接口转换，使不兼容的接口可以协同工作。

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）

适用场景：将抽象部分与实现部分分离，使它们可以独立变化。

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）

适用场景：将对象组合成树形结构以表示'部分 - 整体'的层次结构。

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）

适用场景：动态地给一个对象添加一些额外的职责。

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）

适用场景：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面。

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）

适用场景：大量细粒度对象的共享，减少内存占用。

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）

适用场景：访问控制、延迟加载等。

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）

13. 责任链模式（Chain of Responsibility）

适用场景：多个对象处理请求，直到有一个处理它。

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）

适用场景：请求封装为对象，支持撤销/重做。

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）

适用场景：定义语言的文法，并建立解释器。

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）

适用场景：顺序访问聚合对象的元素，而不暴露其内部表示。

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）

适用场景：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。

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）

适用场景：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态。

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）

适用场景：事件处理、消息通知系统。

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）

适用场景：允许对象在内部状态改变时改变其行为。

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）

适用场景：算法封装，运行时切换。

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）

适用场景：定义算法骨架，子类实现具体步骤。

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）

适用场景：在不修改各元素类的前提下，增加新的操作。

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;
    }
};

四、学习建议与核心总结

在实际开发中，不必掌握所有 23 种模式，建议优先关注以下高频场景：

1. 必须掌握的 5 个核心模式：

   • 单例模式：确保全局唯一实例。
   • 工厂方法模式：解耦对象创建过程。
   • 观察者模式：处理松耦合的事件通知。
   • 策略模式：灵活替换算法实现。
   • 装饰器模式：动态增强对象功能。

2. 次常用的 5 个模式：

   • 适配器模式：解决接口不兼容问题。
   • 代理模式：控制访问或延迟初始化。
   • 模板方法模式：规范算法流程。
   • 命令模式：封装请求为对象。
   • 外观模式：简化复杂子系统调用。

3. 实践心得：

   • 先从单例、工厂、观察者、策略开始理解模式思想。
   • 理解每种模式的应用场景比死记代码更重要。
   • 避免过度设计，只在必要时使用设计模式。
   • 结合 C++11/14/17 的现代特性（智能指针、lambda 等）可以简化某些模式的实现。

这些模式提供了经过验证的解决方案，能帮助你构建更灵活、可维护的软件系统。