【读书笔记】《C++ Software Design》第六章深入剖析 Adapter、Observer 和 CRTP 模式

《C++ Software Design》第六章深入剖析 Adapter、Observer 和 CRTP 模式

在现代 C++ 软件设计中，设计模式（Design Patterns） 早已超越传统的“套路”概念，演化为一种构建高扩展性、高抽象性的系统结构指南。《C++ Software Design》一书第六章精炼地介绍了三类实用的设计模式：Adapter、Observer 和 CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）。

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Guideline 24：使用 Adapter 模式统一接口（Standardize Interfaces）

Adapter 模式的基本原理

Adapter（适配器） 模式的核心目的是将不兼容接口的类转换为用户所期望的接口。你可以把它想象成“接口翻译器”。

UML 示意：

[Client] → [Target Interface] ← [Adapter] ← [Adaptee]

应用场景：

• 旧有系统迁移到新接口标准
• 第三方库的接口无法修改
• 多个接口标准需要统一封装

Object Adapter vs Class Adapter

C++ 中可以通过两种方式实现适配器：

1. Object Adapter（对象适配器）

通过组合方式，将已有类的对象作为成员，并在适配器内部转换调用。

class Adaptee {
public:void specificRequest() {std::cout << "Adaptee called\n";}
};class Target {
public:virtual void request() = 0;
};class Adapter : public Target {Adaptee adaptee;
public:void request() override {adaptee.specificRequest(); // 转换调用}
};

2. Class Adapter（类适配器）

使用多重继承，使适配器既继承目标接口，也继承现有实现类：

class Adapter : public Target, public Adaptee {
public:void request() override {specificRequest(); // 直接调用继承来的方法}
};

缺点：类适配器强依赖继承，侵入性强，不适合多适配组合。

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标准库中的 Adapter 示例

• std::function 可以适配任意可调用对象（函数指针、lambda、functor）
• std::back_insert_iterator 是对容器插入操作的适配
• <functional> 中的 std::bind, std::mem_fn, std::not1 都是函数适配器

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Adapter 与 Strategy 的对比

特性	Adapter	Strategy
目标	兼容已有接口	提供可替换的算法
封装行为	不是行为封装，而是接口转换	封装行为并可切换
应用对象	面向接口兼容问题	面向策略多样性

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Adapter 的缺点分析

• 多重适配链容易导致复杂依赖
• 隐藏真实接口，可能造成可读性下降
• 类适配器过度依赖继承（不可组合）

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Guideline 25：使用 Observer 实现解耦的通知机制（Abstract Notification）

Observer 模式的基本原理

Observer（观察者）是一种 发布-订阅（Publish-Subscribe）机制，当“主题对象”状态变化时，通知所有观察者对象。

UML 示意：

[Subject] → maintains list of → [Observers]
[Observer] ← notified by ← [Subject::notify()]

关键点：

• 抽象通知机制
• 支持多观察者
• 动态添加/移除观察者

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经典实现方式

class Observer {
public:virtual void update(int value) = 0;
};class Subject {std::vector<Observer*> observers;int value;
public:void attach(Observer* o) {observers.push_back(o);}void setValue(int v) {value = v;for (auto* o : observers) {o->update(value);}}
};

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值语义的观察者实现（Modern C++ 风格）

使用 std::function、std::unordered_map 代替原始指针和继承层次：

class Subject {using Callback = std::function<void(int)>;std::unordered_map<int, Callback> observers;int nextId = 0;
public:int subscribe(Callback cb) {int id = nextId++;observers[id] = std::move(cb);return id;}void unsubscribe(int id) {observers.erase(id);}void notify(int val) {for (auto& [_, cb] : observers) cb(val);}
};

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Observer 的缺陷

• 如果未正确解除绑定，可能出现 悬挂引用
• 串联通知容易形成 更新风暴
• 缺乏线程安全机制时存在并发问题

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Guideline 26：使用 CRTP 实现静态类型特性（Static Type Categories）

CRTP 的动机

Curiously Recurring Template Pattern（奇异递归模板模式） 通过将派生类作为模板参数传递给基类，实现 静态多态（Static Polymorphism）。

template<typename Derived>
class Base {
public:void interface() {static_cast<Derived*>(this)->implementation();}
};class Derived : public Base<Derived> {
public:void implementation() {std::cout << "Derived logic\n";}
};

使用场景

• 静态分发函数行为
• 消除虚函数开销
• 编译期强类型行为（如标签分类）

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CRTP 的缺点分析

• 可读性差：对新手不友好，调试困难
• 耦合性强：派生类必须符合模板要求，不能动态切换行为
• 模板膨胀：容易造成代码 bloat

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CRTP vs C++20 Concepts

特性	CRTP	Concepts
类型约束	编译期类型匹配	明确声明概念接口
抽象性	依赖实例化机制	抽象表达能力更强
可组合性	较差（需结构匹配）	支持组合概念

✅ 在现代 C++ 中，CRTP 仍是 concepts 的低阶静态行为模拟手段。

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Guideline 27：使用 CRTP 构建静态 Mixin 类（Static Mixins）

Mixin 是一种通过组合而非继承复用行为的技术。在 C++ 中，CRTP 非常适合做 静态 Mixin。

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动机示例：添加强类型比较支持

template<typename Derived>
class EqualityComparable {
public:friend bool operator==(const Derived& lhs, const Derived& rhs) {return lhs.equals(rhs);}friend bool operator!=(const Derived& lhs, const Derived& rhs) {return !lhs.equals(rhs);}
};class Person : public EqualityComparable<Person> {std::string name;
public:bool equals(const Person& other) const {return name == other.name;}
};

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用于静态能力增强的模式

• boost::operators<>
• std::enable_shared_from_this<T> 本质就是 CRTP Mixin
• Policy-based Design 中每个 policy 类也是 CRTP mixin

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总结

第六章系统揭示了三种 C++ 中非常典型的设计模式及其静态实现技巧：

模式名称	本质功能	推荐场景
Adapter	接口兼容/转换	第三方库/统一标准
Observer	解耦事件通知机制	GUI、MVC、数据流架构
CRTP	静态多态与类型增强	零运行开销的行为复用、类型封装

它们分别强调了接口适配、事件解耦和静态行为增强的不同维度，是 C++ 软件设计中的“三剑客”。