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 #### 引言 设计模式是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。GoF（Gang of Four）所提出的23种设计模式，被认为是面向对象编程中最核心的设计原则之一。这些模式可以分为三大类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。本文将逐一解析这些模式，并结合C++实现进行详细介绍。 #### 创建型模式 **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。 - **应用场景**：当一个系统应该独立于它的产品创建、组合时；或者一个系统要由多个产品系列中的一个来配置时；或者当你要强调一系列相关的产品对象的设计以便进行联合使用时。 - **优点**：良好的封装性、灵活性高、扩展性强。 - **缺点**：增加系统的复杂度、抽象程度较高，不适合简单场景。 **1.2 Abstract Factory模式** - **定义**：提供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。它是一种工厂模式的增强版，不仅创建单一对象，还可以创建一组相关的对象。 - **应用场景**：当系统中存在多个产品族，且每次只使用其中一个产品族时；当系统要求提供产品族中多个产品间的依赖关系时。 - **优点**：提高了系统的灵活性和扩展性。 - **缺点**：当产品族增加时，需要修改原有代码，违反开闭原则。 **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。 - **应用场景**：控制资源的唯一实例，例如线程池、缓存等。 - **优点**：控制实例化过程，确保系统内存中只有一个实例，节省资源。 - **缺点**：过度使用会导致设计过于复杂。 **1.4 Builder模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：当创建复杂对象的算法应该独立于部分组成该对象的部件及其装配方式时。 - **优点**：分离构造和表示，有利于控制细节风险。 - **缺点**：产品必须有共同点，范围有限制。 **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。 - **应用场景**：当创建新对象的成本较大时；或者对象实例的创建过程较为复杂时。 - **优点**：性能提高、避免创建过程中的大量重复工作。 - **缺点**：注册机制可能会增加系统的复杂度。 #### 结构型模式 **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。 - **应用场景**：如果一个类存在两个独立变化的维度，且这两个维度都需要进行扩展时；或者一个类希望复用来自多个类的行为组合时。 - **优点**：提高系统的可扩展性，让抽象和实现可以独立变化。 - **缺点**：理解与实现较为复杂。 **2.2 Adapter模式** - **定义**：将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口。Adapter模式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。 - **应用场景**：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；想创建一个可以复用的类，该类可以与其他不相关的类或不可预见的类（即那些接口可能不一定兼容的类）协同工作。 - **优点**：提高复用现有类的能力。 - **缺点**：过多地使用Adapter会使系统变得很复杂，不易整体进行把握。 **2.3 Decorator模式** - **定义**：动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能而言，Decorator模式相比生成子类更加灵活。 - **应用场景**：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；处理那些可以撒销的职责。 - **优点**：增强了对象的透明性和灵活性，用户可以同时使用装饰对象和原始对象。 - **缺点**：对于多次装饰的对象，运行效率低。 **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。Composite模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。 - **应用场景**：你想表示对象的部分-整体层次结构；需要对整个层次结构进行一些操作。 - **优点**：能够清晰地定义分层次的复杂对象；客户端可以一致地使用复合对象和叶子对象。 - **缺点**：设计较为复杂，需要更多的时间去理解和实现。 **2.5 Flyweight模式** - **定义**：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。 - **应用场景**：一个应用程序使用了大量的相同或相似的对象；这些对象消耗了大量的存储空间；存储空间的成本远高于计算成本。 - **优点**：大幅度减少内存中对象的数量，从而显著降低对内存的需求。 - **缺点**：外部状态的传递会增加程序的复杂度。 **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，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。 - **应用场景**：为一个复杂子系统提供一个简单接口；当客户端与一个子系统的多个模块紧密耦合时；当子系统被频繁使用时。 - **优点**：降低了子系统与客户端之间的耦合度；提高了灵活性。 - **缺点**：增加了系统的复杂性。 **2.7 Proxy模式** - **定义**：为其他对象提供一个代理以控制对这个对象的访问。 - **应用场景**：远程代理；虚拟代理；保护代理。 - **优点**：客户端可以在不明确知道目标对象的情况下，通过代理对象访问目标对象；增加了更多的灵活性。 - **缺点**：代理模式会给系统增加很多代理类，增加了系统的复杂性。 #### 行为模式 **3.1 Template Method模式** - **定义**：定义一个操作中的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中。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。 - **应用场景**：一次性实现一个算法的不变的部分，并将可变的行为留给子类来实现；各子类中公共的行为应被提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。 - **优点**：封装了不变部分，开放可变部分；扩展性好。 - **缺点**：每一个不同的实现都需要一个子类来实现，导致类的个数增加，使得系统更加庞大。 **3.2 Strategy模式** - **定义**：定义了一系列算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以相互替换。本模式使得算法可以独立于使用它的客户而变化。 - **应用场景**：当一个系统应当支持可插拔的策略集时；许多相关的类仅仅是行为有异时。 - **优点**：算法可以自由切换；避免使用多重条件判断语句。 - **缺点**：客户端必须了解所有的策略类，并自行决定使用哪一个策略类。 **3.3 State模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为。 - **优点**：结构清晰、维护方便；易于扩展。 - **缺点**：状态模式的使用必然会增加系统类和对象的个数；结构与实现都比较复杂，如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱。 **3.4 Observer模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：一个对象状态改变给其他对象通知的问题，而且不知道具体有多少对象待通知时。 - **优点**：目标与观察者之间的抽象耦合最小。 - **缺点**：如果一个观察者对象与一个目标对象之间存在着循环依赖的话，观察者序列的更新可能会导致递归或振荡效应。 **3.5 Memento模式** - **定义**：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。这样以后就可将该对象恢复到原先保存的状态。 - **应用场景**：需要在操作之前保存对象的状态，在操作之后能够使对象恢复到原来的状态。 - **优点**：保持封装边界。 - **缺点**：消耗资源和空间。 **3.6 Mediator模式** - **定义**：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。Mediator使各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。 - **应用场景**：系统中对象之间存在复杂的引用关系，产生的相互依赖关系结构混乱且难以理解；一个对象由于引用了其他多个对象并且直接和这些对象通信，导致难以复用该对象。 - **优点**：简化对象之间的交互；单一责任原则。 - **缺点**：中介者模式会使系统中的类的个数增加；中介者模式违反了开闭原则，一旦中介者改变，所有同事类都要随之改变。 **3.7 Command模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：需要在不同的时刻指定请求、将请求排队、传递请求，以及执行请求。 - **优点**：降低耦合度；新的命令可以很容易添加到系统中去。 - **缺点**：使用Command模式可能会导致某些系统有过多的具体命令类。 **3.8 Visitor模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：对象结构中对象对应的类很少改变，但经常需要在此对象结构上定义新的操作。 - **优点**：增加新的操作很容易，只需要对相应的方法进行扩展即可。 - **缺点**：增加元素类很困难。 **3.9 Chain of Responsibility模式** - **定义**：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。将这些对象连成一条链，并沿着这条链传递该请求，直到有一个对象处理它为止。 - **应用场景**：有多个对象可以处理一个请求，哪个对象处理该请求运行时刻自动确定。 - **优点**：降低耦合度；增强给对象指派职责的灵活性；增加新的请求处理类很方便。 - **缺点**：不能保证请求一定被接收；系统性能将受到一定影响。 **3.10 Iterator模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：访问一个聚合对象的内容而无需暴露它的内部表示。 - **优点**：它支持以不同的方式遍历一个聚合对象。 - **缺点**：由于迭代器模式将存储数据和遍历数据的职责分离，增加新的聚合类需要对应地增加新的迭代器类，类的个数成对增加，这在一定程度上增加了系统的复杂性。 **3.11 Interpreter模式** - **定义**：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，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。 - **应用场景**：当一个语言的文法较为简单时；或者当需要执行的命令或表达式在运行时刻才会明确时。 - **优点**：扩展性比较好，灵活。 - **缺点**：可利用场景比较少；解释器模式会引起类膨胀；解释器模式采用递归调用方法。 #### 总结 设计模式是面向对象编程领域的一个重要组成部分，它不仅帮助我们更好地组织代码，还提供了针对特定问题的通用解决方案。通过对GoF所提出的23种设计模式的学习和实践，我们可以更高效地解决软件开发中的各种问题。无论是创建型模式、结构型模式还是行为型模式，每种模式都有其独特的用途和优势。通过不断学习和实践，我们可以更好地理解和运用这些设计模式，从而提升我们的编程水平和软件设计能力。