GoF+23种设计解析附C++实现

### GoF+23种设计模式解析及C++实现 #### 0 引言 设计模式作为面向对象编程中的一种重要思想，对于提高代码的可维护性、可扩展性和复用性具有重大意义。GoF（Gang of Four）所提出的23种设计模式被视为面向对象设计领域的经典之作。本文旨在通过深入解析这23种设计模式，并提供相应的C++实现示例，帮助读者更好地理解和运用这些模式。 #### 1 创建型模式 创建型模式关注的是对象的创建机制，确保系统能够灵活地控制对象的创建过程。 ##### 1.1 Factory模式 **定义**: 提供了一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。 **优点**: - 灵活性高，易于扩展新的产品类型。 - 隐藏产品的具体构建细节，降低客户端与具体实现之间的耦合度。 **缺点**: - 工厂类过于复杂，增加系统复杂度。 - 类型安全问题，可能会返回错误的产品实例。 **应用场景**: 当系统需要根据条件创建不同的对象实例时。 ##### 1.2 Abstract Factory模式 **定义**: 提供了一个接口，用于创建一系列相关或相互依赖的对象族，而无需指定它们具体的类。 **优点**: - 更好的支持产品系列的扩展。 - 使得客户端代码更加稳定，易于维护。 **缺点**: - 比较复杂，增加了系统的抽象性和理解难度。 - 当产品族扩展时，抽象工厂类也会变得庞大。 **应用场景**: 当一个系统不只创建单一对象，而是需要创建多个相互关联或相互依赖的对象时。 ##### 1.3 Singleton模式 **定义**: 保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。 **优点**: - 控制资源的访问权限，防止资源被非法占用。 - 保证了系统内存中只有一个实例，节省了资源。 **缺点**: - 单例模式会隐藏类的实例化逻辑，降低了代码的可读性和可维护性。 - 违反了单一职责原则，将太多职责集中在一个类中。 **应用场景**: 当希望某个类只能有一个实例，而且客户可以从一个众所周知的访问点访问它时。 ##### 1.4 Builder模式 **定义**: 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。 **优点**: - 分离了构造过程和构造结果，使得同一个构造过程可以创建多种不同的表示。 - 增加了灵活性，便于添加新的产品组件。 **缺点**: - 产品内部结构必须固定不变，否则无法使用。 - 增加了系统的复杂性。 **应用场景**: 当需要构建的对象具有复杂的内部结构时。 ##### 1.5 Prototype模式 **定义**: 用原型实例指定创建对象的种类，并且通过复制这些原型创建新的对象。 **优点**: - 可以高效地创建对象。 - 避免了重复创建相同对象的开销。 **缺点**: - 需要为每一个类配备一个克隆方法，增加了类的复杂性。 - 如果原型类中存在引用类型，可能会导致浅克隆的问题。 **应用场景**: 当创建新对象的成本比较大，或者需要大量复制已有对象时。 #### 2 结构型模式 结构型模式关注的是如何组合类或对象构成更大的结构。 ##### 2.1 Bridge模式 **定义**: 将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立变化。 **优点**: - 抽象和实现分离，提高了系统的灵活性。 - 实现可以独立于客户端的使用进行升级。 **缺点**: - 对客户端来说，桥接模式理解上稍微有些复杂。 - 模式的引入会增加系统的复杂度。 **应用场景**: 当一个类存在两个独立变化的维度，且这两个维度都需要独立扩展时。 ##### 2.2 Adapter模式 **定义**: 将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。 **优点**: - 使原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。 - 灵活性好，通过配置文件来选择不同的适配器，从而控制系统的运行。 **缺点**: - 适配器模式只是提供了一个解决方案，但并未解决根本问题。 - 使用不当可能会带来过多的适配器类。 **应用场景**: 当希望复用一些现存的类，但接口又与复用环境要求不一致时。 ##### 2.3 Decorator模式 **定义**: 动态地给一个对象添加一些额外的职责。 **优点**: - 在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责。 - 灵活性高，通过不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合，可以让客户端使用多种行为。 **缺点**: - 多个装饰类将产生很多子类。 - 和静态继承相比，动态委托更为灵活，但同时也意味着更多的运行时开销。 **应用场景**: 当需要增加对象的功能，或者给一组对象添加公共行为时。 ##### 2.4 Composite模式 **定义**: 将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。 **优点**: - 客户端可以一致地使用单个对象和组合对象。 - 易于理解和实现。 **缺点**: - 设计较为复杂，需要更多的时间来理解。 - 对于叶子对象的访问，需要逐级遍历。 **应用场景**: 当要表示对象的部分-整体层次结构时。 ##### 2.5 Flyweight模式 **定义**: 运用共享技术来有效地支持大量细粒度的对象。 **优点**: - 大量减少对象数量，从而显著减少内存空间的使用。 - 细粒度对象的外部状态独立于对象本身，不会造成影响。 **缺点**: - 如果外部状态相对较多，则对象的状态容易混乱。 - 状态的外部存储和管理增加了系统的复杂性。 **应用场景**: 当系统中有大量相似对象时，使用共享技术可以显著减少内存中对象的数量。 ##### 2.6 Facade模式 **定义**: 为子系统中的一组接口提供一个一致的界面。 **优点**: - 减少了子系统与客户端之间的耦合度。 - 对客户端来说更加简单。 **缺点**: - 增加了系统的复杂度。 - 需要为每一个子系统都定义一个外观类。 **应用场景**: 当一个子系统非常复杂，难以理解和使用时。 ##### 2.7 Proxy模式 **定义**: 为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。 **优点**: - 能够在不修改目标对象的前提下，提供额外的功能操作。 - 提高了客户端代码的灵活性。 **缺点**: - 代理模式会给系统增加很多的代理类。 - 代理类与真实主题类之间高度耦合。 **应用场景**: 当直接访问目标对象带来不便时。 #### 3 行为模式 行为模式关注的是对象间的职责分配。 后续章节将继续详细介绍剩余的行为模式及其他相关知识点。通过上述内容，我们已经了解了GoF设计模式中的一些基本概念和模式的应用场景，这对于理解和应用这些模式来说是非常重要的一步。