C++设计模式总结

最新推荐文章于 2025-10-24 20:47:22 发布

翻译最新推荐文章于 2025-10-24 20:47:22 发布 · 9.8k 阅读

设计模式专栏收录该内容

2 篇文章

订阅专栏

设计模式简介

设计模式为开发人员提供一种使用专家设计经验的有效途径。设计模式中运用了面向对象编程语言的重要特征：封装、继承、多态等。

常见的设计模式主要有：工厂模式、策略模式、适配器模式、单例模式、原型模式、模板方法模式、建造者模式、外观模式、组合模式、代理模式、享元模式、桥接模式、修饰模式、备忘录模式、中介者模式、职责链模式、观察者模式、状态模式。

工厂模式

工厂模式属于创建型模式，分为以下三类：简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式。

简单工厂模式：主要特点是需要在共产类中做判断，从而创建相应的产品。当增加新产品时，需要修改工厂类。

缺点：需要增加新的类型时，需要修改工厂类。违反了开放封闭原则：软件实体（类、模块、函数）可以扩展，但是不可修改。

工厂方法模式：指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。

缺点：当增加一种新产品，就需要创建一个对象的工厂。当新产品很多时，就会有很多的类定义。

抽象工厂模式：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。

策略模式

策略模式：指定义一系列算法，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与使用它的客户而变化。即算法所完成的功能和对外接口一样，只是各自实现细节上存在差异。策略模式封装算法，效果比较好。

举例：Cache替换算法。当发生Cache缺失时，Cache控制器必须选择Cache中的一行，并用欲获得的数据来替换。采用的策略就是Cache替换算法。

ReplaceAlgorithm是一个抽象类，定义了算法的接口，有三个雷继承自这个抽象类，即具体算法实现。故维护一个ReplaceAlgorithm对象。

Cache定义及实现，直接影响客户的使用方式。关键在于如何指定替换算法。

1）直接通过参数指定，传入一个特征算法的指针。缺点：客户需要知道算法具体定义，从而暴露太多算法细节。

2）直接通过参数指定，不传入指针，而是标签。通过标签，调用对应算法。与一相比，用起来方便。其实质是简单工厂模式与策略模式结合。

3）利用模板实现。通过模板指定实参。还实用参数，不过不是构造函数参数。策略模式中，参数传递难以避免，客户必须指定某种算法。

适配器模式

适配器模式：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，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。它包括类适配器和对象适配器。

举例：STL就用到了适配器模式。STL实现一种数据结构，双端队列，支持前后两段的插入与删除。STL实现栈和队列时，没有从头开始定义它们，而是直接使用双端队列实现。双端队列扮演了适配器角色。队列用到了它的后端插入，前端删除。栈则用到它的后端删除，后端插入。栈和队列都是一种顺序容器，存在两种操作：压入和弹出。

单例模式

单例模式：实现较简单。其构造函数是私有的，故无法通过构造函数实例化，唯一的方法是通过调用静态函数GetInstance。

原型模式

原型模式：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。拷贝是原型模式的精髓。

原型模式实现的关键是实现clone函数，对C++而言，其实质是拷贝构造函数，即实现深拷贝。

模板方法模式

模板方法模式：定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法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。即在父类中定义操作算法骨架，具体由子类实现。

其中在FillResume()中定义操作的骨架，然后调用子类实现函数。

建造者模式

建造者模式：将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构造过程可以创建不同的表示。

对用户来说，只需知道导向者即可，通过导向者，客户能够构造复杂的对象，而不需要知道具体的构造过程。

外观者模式

外观着模式：使用很多的一种模式，特别是当一个系统很复杂时，系统提供给客户的是一个简单的对外接口，而把里面复杂的结构都封装起来。客户只需使用这些简单接口就能使用这个系统，而不需关注内部复杂的结构。另一种定义：为子系统中的一组接口提供一个一致的节点，外观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。

举例：编译系统就使用外观着。原因是编译系统复杂，实际四个步骤为词法分析、语法分析、中间代码生成、机器码生成，这四个步骤实现都很复杂，故可定义一个高层接口，如Compiler类，然后定义一个run函数，run函数内部具体实现，对用户透明，即客户不需知道。

外观着模式特点：1）它对客户屏蔽子系统组件，因而减少了客户处理的对象的数目并使得子系统使用起来更加方便；2）实现了子系统与客户之间松耦合关系，而子系统内部的功能组件往往是紧耦合的；3）如果应用需要，它并不限制它们使用子系统类。

组合模式

组合模式：将对象组合成树形结构以表示“整体——部分”的层次结构。组合使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。其关键是树形结构。

代理模式

代理模式：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。四种常用的情况：1）远程代理；2）虚代理；3）保护代理；4）智能引用。

举例：考虑一个可以在文档中嵌入图形对象的文档编辑器。有些图形对象的创建开销很大。但是打开文档必须很迅速，故在打开文档时应避免一次性创建所有开销很大的对象。在此，运用代理模式，在打开文档时，并不打开图像对象，而是打开图形对象的代理以替代真实的图形。待到真正需要打开图形时，扔由代理负责打开。

享元模式

享元模式：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。

举例：在围棋中，棋子就是大量细粒度的对象。其属性有内在的，如颜色、形状等，也有外在的，如棋盘位置等。内在的属性可以共享，区分在外在属性。故设计时，只需要定义两个棋子的对象，一颗黑棋和一颗白棋，这两个对象含棋子的内在属性，棋子外在属性，即在棋盘上的位置可以读取出来，存放在单独的容器中。容器中只需存放位置，可以减少对空间的需求。

桥接模式

桥接模式：将抽象部分和它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化。

举例：考虑装操作系统，有多种配置的计算机，同样也有多款操作系统。如何运用桥接模式呢？可以将操作系统和计算机分别抽象出来，让它们各自发展，减少它们的耦合度。当然了，两者之间有标准的接口。这样的设计，不论是对于计算机，还是操作系统都是非常有利的。

装饰模式

装饰模式：动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，装饰模式相比生成子类更为灵活。有时我们希望给某个对象而不是整个类添加一些功能。

举例：对有一个手机，允许为其添加特性，如增加挂件、屏幕贴膜等。一个灵活的设计方式是，将手机嵌入到另一个对象中，由这个对象完成特性的添加，称此嵌入对象为修饰。这个装饰与其它所装饰的组件接口一致。故它对使用该组件的用户透明。

装饰模式提供了更加灵活的面向对象添加职责的方式。可以用添加和分离的方法，用装饰在运行时刻增加和删除职责。装饰模式提供了一种“即用即付”的方法来添加职责。它并不视图在一个复杂的可定制的类中支持所有可预见的特征，相反，你可以定义一个简单的类，并且用装饰类给它逐渐地添加功能。可以从简单的部件组合出复杂的功能。

备忘录模式

备忘录模式：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。这样以后就可将该对象恢复到原先保存的状态。

举例：玩游戏时，都会保存进度，所保存的进度以文件的形式存在。下次就可以继续玩，而不是从头开始。此处的进度其实就是游戏的内部状态，文件则是游戏之外的保存状态。下次可从文件中读取保存的进度，从而恢复到原来的状态。这就是备忘录模式。

Memento类定义了内部的状态，而Caretake类是一个保存进度的管理者，GameRole类是游戏角色类。由上图可得GameRole的对象依赖于Memento对象，而与Caretake对象无关。

中介者模式

中介者模式：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。中介者使各对象不需要显示地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。在软件中，就是多个对象之间需要通信，如果没有中介，对象就需要知道其他对象，最坏情况下，可能需要知道所有其他的对象，而有了中介对象就方便多了，对象只需要与中介对象通信，而不用知道其他的对象。

职责链模式

职责链模式：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。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。

观察者模式

观察者模式：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。它还有两个别名，依赖（Dependents），发布-订阅（Publish-Subsrcibe）。

举例：博客订阅例子。当博主发表新文章的时候，即博主状态发生了改变，那些订阅的读者就会收到通知，然后进行相应的动作，如去看文章，或者收藏等。博主与读者之间存在一种一对多的依赖关系。

其中，博客类中有一个观察者链表（即订阅者），当博客的状态发生变化时，通过Notify成员函数通知所有的观察者，告诉他们博客的状态更新了。而观察者通过Update成员函数获取博客的状态信息。博客类主要完成观察者的添加、移除、通知等操作，设置和获得状态仅仅是一个默认实现。

状态模式

状态模式：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。它的两种使用情况：1）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；2）一个操作中含有庞大的多分支的条件语句，且这些分支依赖于该对象的状态。

举例：以战争为例，假设一场战争需经历四个阶段：前期、中期、后期、结束。当战争处于不同的阶段，战争的行为是不一样的，即战争的行为取决于所处的阶段，而且随时间的推进是动态变化的。

各种设计模式综合

装饰者模式：包装一个对象，以提供新的行为。

状态模式：封装了基本状态行为，并使用委托在行为之间切换。

迭代器模式：在对象的集合之中游走，而不暴露集合的实现。

外观模式：简化一群类的接口。

策略模式：封装可以互换的行为，并使用委托在行为之间切换。

代理模式：包装对象，以控制对此对象的访问。

工厂方法模式：有子类决定要创建的具体类是哪一个。

适配器模式：封装对象，并提供不同的接口。

观察者模式：让对象能够在状态改变时被通知。

模板方法模式：由子类决定如何实现一个算法中的步骤。

组合模式：客户用一致的方式处理对象集合和单个对象。

单件模式：确保有且只有一个对象被创建。

抽象工厂模式：允许客户创建对象的家族，而无需指定它们的具体类。

命令模式：封装请求成为对象。