c++设计模式

### C++设计模式精解 #### 一、引言 设计模式是软件工程领域中的一套被广泛接受的解决方案集合，旨在解决常见的软件设计问题。这些模式提供了在特定情况下解决问题的标准化方法，使得开发者能够更好地组织和重用代码。本文档深入探讨了由Erich Gamma等四位作者所著的《设计模式：可复用面向对象软件的基础》(简称GoF)中定义的23种设计模式，并提供详细的C++实现示例。 #### 二、创建型模式 创建型模式关注的是如何创建对象的过程，它们提供了一种在程序中创建对象的方法，使得系统更加灵活。 - **1.1 Factory模式** - **定义**：定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。Factory Method使一个类的实例化延迟到其子类。 - **应用场景**：当一个系统不应该依赖于它所需的产品的具体类时，或者当一个系统应该由它的用户配置所创建的对象的类型时。 - **C++实现要点**：使用纯虚函数和抽象基类来定义工厂方法，子类实现具体的工厂方法来创建产品对象。 - **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。 - **应用场景**：当一个系统要独立于它的产品创建、组合时，或者当一个系统要由多个产品系列中的一个来配置时。 - **C++实现要点**：创建一个抽象工厂类，该类包含多个工厂方法，每个工厂方法负责创建一类对象。 - **1.3 Singleton模式** - **定义**：确保一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。 - **应用场景**：当需要在整个系统中控制对某个类的单个实例的访问时。 - **C++实现要点**：使用静态成员函数和私有构造函数来限制类的实例化，并通过公有的静态成员函数来获取该实例。 - **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**：当创建一个复杂对象的算法应该独立于组成该对象的部件以及如何装配这些部件时。 - **C++实现要点**：定义一个抽象的构建者类，该类提供了一系列构建部件的方法，然后通过具体构建者类实现这些方法。 - **1.5 Prototype模式** - **定义**：用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个新对象。 - **应用场景**：当一个类的实例只能通过复杂的算法来创建时，或者当一个系统应该避免重复创建相同的对象时。 - **C++实现要点**：使用深拷贝或浅拷贝技术来复制对象，通常需要重载赋值运算符或提供一个克隆方法。 #### 三、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** - **定义**：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。 - **应用场景**：当一个类的实现应该独立于它的客户端接口时。 - **C++实现要点**：定义一个抽象接口类和一系列实现类，通过组合而不是继承来实现扩展。 - **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，但是接口又与复用环境要求不一致时。 - **C++实现要点**：创建一个适配器类，该类包含现有类的实例，并提供一个与目标接口兼容的新接口。 - **2.3 Decorator模式** - **定义**：动态地给一个对象添加一些额外的职责。 - **应用场景**：需要增加功能，而不通过子类实现。 - **C++实现要点**：通过继承和组合，为现有类添加新的功能。 - **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**：当需要表示对象的部分-整体层次关系时。 - **C++实现要点**：定义一个组件接口，该接口可以被叶子对象和容器对象实现，其中容器对象包含组件对象。 - **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**：需要大量相同或相似对象时。 - **C++实现要点**：创建一个对象池，管理共享对象，并根据需要创建新的对象。 - **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**：简化一个复杂系统的接口时。 - **C++实现要点**：创建一个单一的入口点，该入口点封装了子系统的细节。 - **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。 - **应用场景**：当直接访问某个对象带来不便时。 - **C++实现要点**：创建一个代理类，该类包含真实对象的引用，并提供与真实对象相同的接口。 #### 四、行为模式 行为模式关注的是对象间的职责分配。 - **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**：当需要将一个算法分解为多个步骤时。 - **C++实现要点**：定义一个模板方法类，该类中包含一个模板方法和一些抽象方法，子类实现这些抽象方法。 - **3.2 Strategy模式** - **定义**：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。本模式使得算法可独立于使用它的客户而变化。 - **应用场景**：当一个系统的行为或其算法可以在运行时更改时。 - **C++实现要点**：定义一个策略接口和多个实现该接口的策略类，客户端可以根据需要选择策略。 - **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**：当一个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时。 - **C++实现要点**：定义一个状态接口和多个实现该接口的状态类，根据状态的变化切换状态对象。 - **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**：当一个对象需要向多个对象通知改变时。 - **C++实现要点**：定义观察者和被观察者接口，被观察者维护观察者列表，并在状态改变时通知它们。 - **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**：当需要保存和恢复数据时。 - **C++实现要点**：定义一个备忘录类，该类存储对象的内部状态，并提供一个发起者类，该类创建和恢复备忘录。 - **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模式可减少对象之间的相互依赖。 - **应用场景**：当一组对象相互作用形成网状结构时。 - **C++实现要点**：创建一个中介类，该类协调各个对象之间的交互。 - **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**：当一个请求需要作为一个独立的对象来处理时。 - **C++实现要点**：定义一个命令接口，该接口通常包含执行和撤销操作，以及具体的命令类。 - **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**：当需要对一个对象结构中的对象进行很多不同的并且不相关的操作时。 - **C++实现要点**：定义一个访问者接口和多个实现该接口的访问者类，以及一个接受访问者的元素类。 - **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**：当一个请求需要通过一系列的对象来处理时。 - **C++实现要点**：定义一个抽象处理者类，该类包含下一个处理者的引用，并定义一个处理请求的方法。 - **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**：当需要遍历一个聚合对象时。 - **C++实现要点**：定义一个迭代器接口，该接口通常包括移动到下一个元素和获取当前元素的方法，以及一个具体的聚合类，该类返回一个实现迭代器接口的对象。 - **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**：当需要解释简单的语言或规则时。 - **C++实现要点**：定义一个抽象语法树的节点类，以及一个解释器类，该类根据文法规则解释输入。 通过上述内容可以看出，设计模式不仅仅是一种编程技巧，更是一种思想和方法论。熟练掌握这些模式可以帮助开发者写出更高质量、更易于维护和扩展的代码。同时，在实际应用中，需要根据具体的问题场景来灵活选择和应用这些模式。