工程实践中常见的几种设计模式解析及 C++ 实现

在软件工程中，设计模式是一种通用的解决方案，用于解决常见问题和优化代码结构。它们通过提供一种规范化的编程思想，帮助开发者写出更高效、可维护和可扩展的代码。本文将介绍几种在工程实践中常见的设计模式，包括其实现原理、使用场景以及注意事项，并结合 C++ 语言进行实现。

1. 单例模式 (Singleton Pattern)

实现原理

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。其核心思想是通过控制构造函数和复制操作符，使得类只能生成一个对象实例。

关键点：

隐藏构造函数（将构造函数设为私有）。
提供一个静态方法用于获取唯一实例。
使用懒汉式或饿汉式实现线程安全的单例模式。

使用场景

当需要全局只有一个实例时，例如配置管理、日志记录等。
需要避免大量重复对象创建的情况。

注意事项

单例模式可能会隐藏类之间的依赖关系，导致代码难以维护。
线程安全性需要额外处理（如双重检查锁定）。
在某些场景下，单例模式可能导致性能问题或内存泄漏。

C++ 实现

class Singleton {
   
   
private:
    static Singleton* instance;
    Singleton() = default;  // 隐藏构造函数
    ~Singleton() = default; // 隐藏析构函数

public:
    // 静态方法获取实例（线程安全）
    static Singleton* getInstance() {
   
   
        if (instance == nullptr) {
   
   
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

    // 删除复制操作符，防止复制
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

    void doSomething() {
   
   
        // 业务逻辑
    }
};

// 静态变量初始化为 nullptr
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

int main() {
   
   
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();

    if (s1 == s2) {
   
    // 比较两个指针是否相同
        // 输出：两者指向同一个实例
    }

    return 0;
}

2. 工厂模式 (Factory Pattern)

实现原理

工厂模式通过提供一个接口，用于创建对象，而无需显式指定具体类。这提高了代码的灵活性和可扩展性。

关键点：

定义一个抽象产品类（Product）。
提供一个工厂类（Factory），通过其方法创建具体的子类实例。
工厂模式分为简单工厂模式和抽象工厂模式。

使用场景

需要根据不同的条件动态选择具体实现时。
避免代码直接依赖于具体实现类，提高系统的灵活性。

注意事项

工厂类可能会变得复杂，尤其是在支持多种产品的情况下。
增加新的产品类需要同时修改工厂类，这可能违反“开闭原则”。

C++ 实现

// 抽象产品类
class Product {
   
   
public