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C++ 的设计模式

news 2025/6/22 7:05:03

在软件开发领域，设计模式是解决反复出现问题的通用解决方案。掌握设计模式不仅能提升代码质量，还能更高效地与其他开发者协作。

一、单例模式：确保全局唯一实例

定义：单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

应用场景：

日志记录器
配置管理器
数据库连接池

Meyers’ Singleton实现（C++11+）

class Logger {
public:// 获取单例实例的静态方法static Logger& getInstance() {static Logger instance; // C++11保证线程安全return instance;}// 禁用拷贝构造和赋值运算符Logger(const Logger&) = delete;Logger& operator=(const Logger&) = delete;// 业务方法void log(const std::string& message) {std::cout << "[LOG] " << message << std::endl;}private:Logger() = default; // 私有构造函数~Logger() = default;
};// 使用示例
void example() {Logger::getInstance().log("System started");
}

技术要点：

静态局部变量在首次调用时初始化（C++11起线程安全）
删除拷贝构造和赋值运算符防止克隆
私有构造函数确保无法外部实例化

二、工厂模式：解耦对象创建逻辑

定义：工厂模式将对象创建逻辑封装在一个工厂类/方法中，实现创建和使用的分离。

应用场景：

对象创建过程复杂
根据条件动态创建对象
框架扩展点设计

简单工厂实现

// 抽象产品类
class Shape {
public:virtual void draw() = 0;virtual ~Shape() = default;
};// 具体产品类
class Circle : public Shape {
public:void draw() override { std::cout << "Drawing Circle" << std::endl; }
};class Square : public Shape {
public:void draw() override { std::cout << "Drawing Square" << std::endl; }
};// 工厂类
class ShapeFactory {
public:static std::unique_ptr<Shape> createShape(const std::string& type) {if (type == "circle") return std::make_unique<Circle>();if (type == "square") return std::make_unique<Square>();throw std::invalid_argument("Invalid shape type");}
};// 使用示例
void factoryExample() {auto circle = ShapeFactory::createShape("circle");circle->draw();
}

进阶技巧：

使用枚举替代字符串参数
结合模板实现参数化工厂
注册式工厂支持动态扩展

三、观察者模式：构建事件驱动系统

定义：观察者模式定义了一种一对多的依赖关系，当一个对象状态变化时，所有依赖者都会收到通知。

应用场景：

消息通知系统
GUI事件处理
状态监控系统

标准实现方案

#include <vector>
#include <memory>
#include <string>// 观察者接口
class Observer {
public:virtual void update(const std::string& message) = 0;virtual ~Observer() = default;
};// 主题接口
class Subject {
public:virtual void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0;virtual void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0;virtual void notify(const std::string& message) = 0;virtual ~Subject() = default;
};// 具体主题
class NewsPublisher : public Subject {
private:std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers;std::string latestNews;public:void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {observers.push_back(observer);}void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer),observers.end());}void notify(const std::string& message) override {for (auto& observer : observers) {observer->update(message);}}void publishNews(const std::string& news) {latestNews = news;notify(latestNews);}
};// 具体观察者
class NewsSubscriber : public Observer {
private:std::string name;public:explicit NewsSubscriber(const std::string& name) : name(name) {}void update(const std::string& message) override {std::cout << name << " received: " << message << std::endl;}
};// 使用示例
void observerExample() {auto publisher = std::make_shared<NewsPublisher>();auto subscriber1 = std::make_shared<NewsSubscriber>("Alice");auto subscriber2 = std::make_shared<NewsSubscriber>("Bob");publisher->attach(subscriber1);publisher->attach(subscriber2);publisher->publishNews("Breaking: Design Patterns Explained!");
}

高级应用：

使用智能指针管理观察者生命周期
实现多级观察者层次结构
异步通知机制提升性能

四、策略模式：封装可互换算法

定义：策略模式将算法封装成独立的策略类，使它们可以互相替换，让算法变化独立于客户端。

应用场景：

排序算法切换
支付方式选择
压缩算法切换

策略模式实现

#include <vector>
#include <memory>
#include <iostream>// 策略接口
class SortStrategy {
public:virtual void sort(std::vector<int>& data) = 0;virtual ~SortStrategy() = default;
};// 具体策略
class QuickSort : public SortStrategy {
public:void sort(std::vector<int>& data) override {std::cout << "Sorting using QuickSort" << std::endl;// 实现快速排序逻辑}
};class MergeSort : public SortStrategy {
public:void sort(std::vector<int>& data) override {std::cout << "Sorting using MergeSort" << std::endl;// 实现归并排序逻辑}
};// 上下文类
class Sorter {
private:std::unique_ptr<SortStrategy> strategy;public:explicit Sorter(std::unique_ptr<SortStrategy> strategy): strategy(std::move(strategy)) {}void setStrategy(std::unique_ptr<SortStrategy> newStrategy) {strategy = std::move(newStrategy);}void executeSort(std::vector<int>& data) {strategy->sort(data);}
};// 使用示例
void strategyExample() {std::vector<int> data = {5, 3, 8, 1, 4};// 使用快速排序Sorter sorter(std::make_unique<QuickSort>());sorter.executeSort(data);// 动态切换为归并排序sorter.setStrategy(std::make_unique<MergeSort>());sorter.executeSort(data);
}