设计模式精解－GoF 23种设计模式解析附C++实现源码

### 设计模式精解——GoF 23种设计模式解析及C++实现源码 #### 0. 引言 设计模式是软件工程领域的一个重要概念，它为解决特定问题提供了一套标准的解决方案。根据GoF(四人组)的经典著作《设计模式：可复用面向对象软件的基础》，设计模式主要分为三大类：创建型模式、结构型模式和行为模式。本文将详细介绍这三类模式，并结合C++语言进行具体的实现。 #### 1. 创建型模式 创建型模式关注的是对象的创建机制，它提供了一种方法来创建对象，同时隐藏创建逻辑。这些模式确保系统具有良好的灵活性和可扩展性，同时也遵循了面向对象设计的原则。 ##### 1.1 Factory模式 Factory模式是一种常见的创建型设计模式，它定义了一个用于创建对象的接口，但允许子类决定实例化哪个类。Factory模式使得一个类的实例化延迟到其子类。 - **目的**：封装对象的创建过程。 - **应用场景**：当系统应该独立于产品的创建、组合和表示时。 - **优点**：将对象的创建和使用分离，提高了系统的灵活性和扩展性。 - **缺点**：当产品等级结构变化时，工厂类也需要修改。 ##### 1.2 Abstract Factory模式 Abstract Factory模式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。 - **目的**：提供一组相关或相互依赖的对象的接口。 - **应用场景**：当系统需要创建一系列相关的产品对象时。 - **优点**：支持更多的变化，易于添加新的产品系列。 - **缺点**：产品族的增加会使得抽象工厂的结构更加复杂。 ##### 1.3 Singleton模式 Singleton模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。 - **目的**：确保某个类只有一个实例存在。 - **应用场景**：当需要控制资源访问时。 - **优点**：简化对全局变量的访问。 - **缺点**：破坏了单一职责原则，增加了系统维护的难度。 ##### 1.4 Builder模式 Builder模式将一个复杂对象的构建与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。 - **目的**：将构造过程和表示分离。 - **应用场景**：当对象的构造过程复杂且需要精细控制时。 - **优点**：提高代码的复用性。 - **缺点**：增加系统的复杂度。 ##### 1.5 Prototype模式 Prototype模式通过复制一个现有的实例来创建新对象，而非通过new操作符创建。 - **目的**：通过复制现有的实例来创建新对象。 - **应用场景**：当创建新对象的成本较高时。 - **优点**：避免了复杂的构造函数调用。 - **缺点**：克隆对象需要深拷贝，可能会消耗大量资源。 #### 2. 结构型模式 结构型模式关注的是如何组合类或对象以获得更大的结构。 ##### 2.1 Bridge模式 Bridge模式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。 - **目的**：分离抽象和实现。 - **应用场景**：当一个类存在两个独立的变化维度时。 - **优点**：提高了系统的灵活性。 - **缺点**：增加了系统复杂性。 ##### 2.2 Adapter模式 Adapter模式将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口，使得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。 - **目的**：使接口不兼容的类能够协同工作。 - **应用场景**：当需要重用现有类但接口不匹配时。 - **优点**：提高了现有类的复用性。 - **缺点**：增加了额外的适配器类。 ##### 2.3 Decorator模式 Decorator模式动态地给一个对象添加一些额外的职责。 - **目的**：动态地扩展对象的功能。 - **应用场景**：当需要在运行时动态地扩展功能时。 - **优点**：提供了比继承更灵活的替代方案。 - **缺点**：过多的装饰器可能导致类层次结构过于复杂。 ##### 2.4 Composite模式 Composite模式将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。 - **目的**：表示部分-整体的层次结构。 - **应用场景**：当需要表示树形结构时。 - **优点**：简化了客户端代码。 - **缺点**：难以区分单个节点和叶子节点。 ##### 2.5 Flyweight模式 Flyweight模式通过共享尽可能多的数据来支持大量细粒度的对象。 - **目的**：通过共享减少内存开销。 - **应用场景**：当需要大量相似对象时。 - **优点**：节省了大量的内存空间。 - **缺点**：外部状态的管理变得复杂。 ##### 2.6 Facade模式 Facade模式为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，Facade模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。 - **目的**：简化子系统的使用。 - **应用场景**：当需要提供一个统一的接口访问多个子系统时。 - **优点**：降低了系统的复杂度。 - **缺点**：Facade类本身可能会变得过于庞大。 ##### 2.7 Proxy模式 Proxy模式为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。 - **目的**：为其他对象提供代理访问。 - **应用场景**：当需要控制对远程对象的访问时。 - **优点**：增强了控制力。 - **缺点**：增加了访问的间接性。 #### 3. 行为模式 行为模式关注的是对象之间的职责分配。 ##### 3.1 Template Method模式 Template Method模式定义了一个操作中的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中。Template Method使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。 - **目的**：定义算法的骨架。 - **应用场景**：当算法的结构不变，但某些步骤的具体实现可能需要变化时。 - **优点**：提高了代码的可复用性。 - **缺点**：模板方法中定义的行为可能会过于抽象。 ##### 3.2 Strategy模式 Strategy模式定义了一系列算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以互相替换。Strategy模式让算法独立于使用它的客户而变化。 - **目的**：定义一系列可互换的算法。 - **应用场景**：当一个系统需要根据环境的不同采用不同的算法时。 - **优点**：提高了算法的可复用性。 - **缺点**：增加了解决方案的复杂性。 ##### 3.3 State模式 State模式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。 - **目的**：对象可以根据内部状态改变行为。 - **应用场景**：当一个对象的行为取决于其状态，并且它可以改变状态时。 - **优点**：将行为和状态分离。 - **缺点**：状态类的增加会导致类的数量激增。 ##### 3.4 Observer模式 Observer模式定义了对象之间的一种一对多的依赖关系，以便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自动更新。 - **目的**：对象间的依赖关系。 - **应用场景**：当一个对象的状态改变会影响到多个对象时。 - **优点**：对象之间的耦合度降低。 - **缺点**：如果观察者数量过多，可能会导致性能下降。 ##### 3.5 Memento模式 Memento模式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。这样以后就可以将该对象恢复到原先保存的状态。 - **目的**：保存和恢复对象的状态。 - **应用场景**：当需要保存和恢复对象的状态时。 - **优点**：简化了对象的恢复过程。 - **缺点**：增加了内存开销。 ##### 3.6 Mediator模式 Mediator模式用一个中介对象来封装一系列的对象交互，使得各个对象不需要显式地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。 - **目的**：封装对象之间的交互。 - **应用场景**：当多个对象之间存在复杂的交互时。 - **优点**：减少了对象间的耦合。 - **缺点**：Mediator类变得庞大和复杂。 ##### 3.7 Command模式 Command模式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；对请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销的操作。 - **目的**：将请求封装为对象。 - **应用场景**：当需要将请求作为对象进行传递时。 - **优点**：提高了命令的复用性。 - **缺点**：每一种具体命令都需要一个具体类。 ##### 3.8 Visitor模式 Visitor模式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。 - **目的**：定义作用于对象结构的操作。 - **应用场景**：当需要对一个对象结构中的对象进行多种操作时。 - **优点**：增加了操作的灵活性。 - **缺点**：违反了单一职责原则。 ##### 3.9 Chain of Responsibility模式 Chain of Responsibility模式让你可以将请求沿着处理链传递，直到有一个对象处理它为止。 - **目的**：沿处理链传递请求。 - **应用场景**：当多个对象都可以处理请求时。 - **优点**：降低了对象之间的耦合。 - **缺点**：如果处理链过长，可能难以调试。 ##### 3.10 Iterator模式 Iterator模式提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不暴露该对象的内部表示。 - **目的**：顺序访问集合元素。 - **应用场景**：当需要遍历集合对象时。 - **优点**：简化了迭代操作。 - **缺点**：迭代器的使用可能会导致系统更加复杂。 ##### 3.11 Interpreter模式 Interpreter模式给出了评估语言的文法的一种方法。这里的“语言”是指使用规定格式和语法的代码。 - **目的**：解释语言的文法。 - **应用场景**：当需要解释简单的语言时。 - **优点**：易于扩展。 - **缺点**：对于复杂的文法规则，解释器会变得非常复杂。 ### 总结 设计模式是软件开发中的重要工具，它们帮助开发者更好地组织代码，提高代码的复用性和可维护性。通过理解和运用这些模式，可以有效地解决软件开发中遇到的问题，提高软件的质量。本文介绍的设计模式涵盖了创建型、结构型和行为型三个方面，为读者提供了全面的设计模式知识体系。