023 C++的设计模式（design pattern）
作者Lou Xiao, deepseek创建时间2025-04-02 16:47:06更新时间2025-04-02 16:47:06
一、设计模式基础
1.1 设计模式定义
- 解决软件设计中常见问题的可复用方案
- 介于编程范式和具体算法之间的中间层抽象
- 提高代码可维护性、可扩展性和复用性
1.2 模式分类
| 类型 | 关注点 | 典型模式 |
|---|---|---|
| 创建型 | 对象创建机制 | 单例、工厂、建造者、原型 |
| 结构型 | 对象组合方式 | 适配器、装饰器、代理、组合 |
| 行为型 | 对象间通信与职责分配 | 观察者、策略、命令、状态 |
1.3 C++实现特点
- 多范式语言特性（面向对象+模板元编程）
- 资源管理（RAII模式）
- 性能与灵活性的平衡
- 现代C++特性应用（智能指针、lambda等）
二、创建型模式
2.1 单例模式（Singleton）
意图：保证类只有一个实例，并提供全局访问点
C++实现：
1.双击鼠标左键复制此行；2.单击复制所有代码。
1
class Singleton {
2
private:
3
static Singleton* instance;
4
Singleton() {} // 私有构造函数
5
6
public:
7
static Singleton* getInstance() {
8
if (!instance) {
9
// 双检查锁定（线程安全）
10
std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);
11
if (!instance) {
12
instance = new Singleton();
13
}
14
}
15
return instance;
16
}
17
18
// 禁用拷贝和赋值
19
Singleton(const Singleton&) = delete;
20
void operator=(const Singleton&) = delete;
21
};
应用场景：
- 配置管理器
- 日志系统
- 数据库连接池
注意事项：
- 多线程安全
- 生命周期管理
- 测试困难（全局状态）
2.2 工厂方法模式
意图：定义创建对象的接口，但让子类决定实例化哪个类
UML结构：
1.双击鼠标左键复制此行；2.单击复制所有代码。
1
[Creator] <>-- [Product]
2
| |
3
[ConcreteCreator] --> [ConcreteProduct]
C++实现：
1.双击鼠标左键复制此行；2.单击复制所有代码。
1
class Button {
2
public:
3
virtual void render() = 0;
4
};
5
6
class WindowsButton : public Button { /*...*/ };
7
class MacButton : public Button { /*...*/ };
8
9
class Dialog {
10
public:
11
virtual Button* createButton() = 0;
12
13
void render() {
14
Button* btn = createButton();
15
btn->render();
16
}
17
};
18
19
class WindowsDialog : public Dialog {
20
Button* createButton() override {
21
return new WindowsButton();
22
}
23
};
优点：
- 解耦产品创建和使用
- 符合开闭原则
- 支持依赖倒置
三、结构型模式
3.1 适配器模式
两种形式：
1. 类适配器（多重继承）
2. 对象适配器（组合方式）
代码示例（对象适配器）：
1.双击鼠标左键复制此行；2.单击复制所有代码。
1
// 已有接口
2
class LegacyRectangle {
3
public:
4
void draw(int x1, int y1, int x2, int y2);
5
};
6
7
// 新接口
8
class Shape {
9
public:
10
virtual void draw(int x, int y, int w, int h) = 0;
11
};
12
13
class RectangleAdapter : public Shape {
14
LegacyRectangle adaptee;
15
16
public:
17
void draw(int x, int y, int w, int h) override {
18
adaptee.draw(x, y, x + w, y + h);
19
}
20
};
适用场景：
- 集成遗留代码
- 接口不兼容的类协同工作
- 复用第三方库
四、行为型模式
4.1 观察者模式
组件：
- Subject：维护观察者列表，状态变化时通知
- Observer：定义更新接口
- ConcreteSubject：存储具体状态
- ConcreteObserver：实现更新逻辑
现代C++实现：
1.双击鼠标左键复制此行；2.单击复制所有代码。
1
class Observer {
2
public:
3
virtual void update(const string& message) = 0;
4
};
5
6
class Subject {
7
vector<Observer*> observers;
8
9
public:
10
void attach(Observer* obs) {
11
observers.push_back(obs);
12
}
13
14
void notify(const string& msg) {
15
for (auto obs : observers) {
16
obs->update(msg);
17
}
18
}
19
};
20
21
// 使用lambda实现观察者
22
auto logger = [](const string& msg) {
23
cout << "Log: " << msg << endl;
24
};
25
26
subject.attach(&logger);
应用案例：
- GUI事件处理
- 发布-订阅系统
- 数据监控系统
五、模式选择指南
5.1 决策树
- 需要控制对象创建？→ 创建型模式
- 需要组合对象或类？→ 结构型模式
- 需要管理算法或通信？→ 行为型模式
5.2 模式关系图
1.双击鼠标左键复制此行；2.单击复制所有代码。
1
创建型 ← 组合 → 结构型
2
↘ ↗ ↘
3
行为型 ← 职责分配
六、现代C++特性与模式
- 使用unique_ptr/shared_ptr管理对象生命周期
- 用移动语义优化工厂模式
- 模板方法模式与CRTP结合
- Lambda表达式实现命令模式
- Variant/Visit实现状态模式
七、反模式与注意事项
- 避免过度设计
- 防止模式嵌套过深
- 注意线程安全问题
- 考虑性能影响
- 不要强制匹配模式
附：各模式复杂度对比表
| 模式 | 实现难度 | 灵活性 | 可维护性 |
|------------|---------|--------|----------|
| 单例 | ★★☆ | ★☆☆ | ★★☆ |
| 装饰器 | ★★★ | ★★★ | ★★★ |
| 观察者 | ★★☆ | ★★★ | ★★★ |
| 访问者 | ★★★★ | ★★☆ | ★★☆ |
建议结合《设计模式：可复用面向对象软件的基础》和《Effective Modern C++》进行深入学习。
文章目录