23种设计模式之C++实践（一）

news2025/1/6 14:11:48

23种设计模式之C++实践

  • 1. 简介
  • 2. 基础知识
  • 3. 设计模式
    • （一）创建型模式
      • 1. 单例模式——确保对象的唯一性
        • 1.2 饿汉式单例模式
        • 1.3 懒汉式单例模式
        • 比较
        • IoDH
        • 单例模式总结
      • 2. 简单工厂模式——集中式工厂的实现
        • 简单工厂模式总结
      • 3. 工厂方法模式——多态工厂的实现
        • 工厂方法模式总结
      • 4. 抽象工厂模式——产品族的创建
        • 抽象工厂模式总结
      • 5. 原型模式——对象的克隆
        • 原型模式总结
      • 6. 建造者模式——复杂对象的创组装与创建
        • 建造者模式总结

1. 简介

设计模式是一门技术，更是一门艺术，它为构建可维护性和可复用性俱佳的软件而诞生。

2. 基础知识

  1. 设计模式（Design Pattern）：是一套被反复使用的，多数人知晓的，经过分类编目的代码设计经验的总结，使用设计模式是为了可以重用代码，让代码更容易被理解并提高代码的可靠性。
  2. UML（United Modeling Language）：
    1. 类
      1. 关联关系（实线）：通常将一个类的对象作为另一个类的成员变量。
        1. 双向关联
        2. 单向关联
        3. 自关联
        4. 多重性关联
      2. 聚合关系（空心菱形直线）：成员是整体的一部分，但是成员可以脱离整体存在。通常通过set()函数初始化成员变量。
      3. 组合关系（实心菱形直线）：整体控制成员的声明周期，整体不存在，则成员不存在。通常通过构造函数初始化成员变量。
      4. 依赖关系（带箭头虚线）：类的改变影响到使用该类的其他类，则其他类依赖该类。通常通过将一个类的对象作为另一个类中方法的参数体现。
      5. 泛化关系/继承关系（空心三角形实线）：父类与子类。
      6. 接口与实现关系（空心三角形虚线）：在接口类中声明抽象函数，在实现类中实现函数。
  3. 面向对象设计原则：
    1. 单一职责原则（Single Responsibility）：一个类只负责一个功能领域中的相应职责。或者可以定义为：就一个类而言，应该只有一个引起它变化的原因。高内聚，低耦合。
    2. 开闭原则（Open-Closed Principle，OCP）：一个软件实体应该对外扩展开放，对修改关闭。即软件实体尽量在不修改原有代码的基础下进行扩展。抽象化。
    3. 里氏代换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）：所有引用父类的地方必须能透明地使用其子类的对象。父类抽象化
    4. 依赖倒转原则（Dependency Inversion Principle，DIP）：抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。即针对接口编程，而不是针对实现编程。参数抽象化。
    5. 接口隔离原则（Interface Segregation Principle，ISP）：使用多个专用的接口，而不适用单一的总接口，即客户端不应该依赖那些它不需要的接口。
    6. 合成复用原则（Composite Reuse Principle，CRP）：尽量使用对象组合，而不是继承来达到复用的目的。
    7. 迪米特法则/最少知识原则（Law of Demeter/Least Knowledge Principle，LoD/LKP）：一个软件实体应该尽可能少的与其他实体发生相互作用。

3. 设计模式

（一）创建型模式

1. 单例模式——确保对象的唯一性

  1. 单例模式（Singleton Pattern）：确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类成为单例类，它提供全局访问的方法。

  2. 要点：

    1. 某个类只能有一个实例

    2. 它必须自行创建这个实例

    3. 它必须自行向整个系统提供这个实例

  3. 结构图：

  4. 使用场景实例

    Windows任务管理器

    在一个Windows系统中，任务管理器存在唯一性。

  5. 代码实例

    // TaskManager.h
class TaskManager {
     
 private:
  /**
   * @brief 初始化窗口
   *
   */
  TaskManager() {
     }

 public:
  /**
   * @brief 显示进程
      *
      */

    void displayProcesses();

  /**
   * @brief 显示服务
      *
      */

    void displayServices();

 private:
  static TaskManager* tm;

 public:
  static TaskManager* getInstance();
};

// TaskManager.cpp
TaskManager* TaskManager::tm = nullptr;

void TaskManager::displayProcesses() {
     
  printf("显示进程……\n");
  return;
}
void TaskManager::displayServices() {
     
  printf("显示服务……\n");
  return;
}

TaskManager* TaskManager::getInstance() {
     
  if (tm == nullptr) {
     
    tm = new TaskManager();
  }
  return tm;
}

  6. 代码测试

    • 测试代码：

      int main(int argc, char** argv) {
       
  printf("I'm Singleton Pattern!\n");
  // begin test
  SingleTonNS::TaskManager* tm = SingleTonNS::TaskManager::getInstance();
  tm->displayProcesses();
  tm->displayServices();
  // end test
  return 0;
}

    • 输出

      I’m Singleton Pattern!
      显示进程……
      显示服务……

1.2 饿汉式单例模式

  1. 饿汉式单例模式（Eager Singleton）：在定义静态变量的时候实例化单例类，因此在类加载时就已经创建了单例对象

  2. 结构图

  3. 代码示例

     // TaskManager.h
 class TaskManager {
     
  private:
   /**
    * @brief 初始化窗口
    *
    */
   TaskManager() {
     }

  public:
   /**
    * @brief 显示进程
       *
       */

     void displayProcesses();

   /**
    * @brief 显示服务
       *
       */

     void displayServices();

  private:
   static TaskManager* tm;

  public:
   static TaskManager* getInstance();
 };

 // TaskManager.cpp
 // 饿汉式单例模式初始化
 TaskManager* TaskManager::tm = new TaskManager();

 void TaskManager::displayProcesses() {
     
   printf("显示进程……\n");
   return;
 }
 void TaskManager::displayServices() {
     
   printf("显示服务……\n");
   return;
 }
 TaskManager* TaskManager::getInstance() {
     
   return tm;
 }
1.3 懒汉式单例模式
  1. 见单例模式实现方式。
比较

  1. 饿汉式单例类

    • 优点

      1. 无需考虑多线程访问问题，可以确保实例的唯一性

      2. 调用速度与反应时间更快

    • 缺点

      1. 资源利用效率更低

      2. 加载时间更长

  2. 懒汉式单例类

    • 优点
      1. 延迟加载，无需一直占用系统资源
    • 缺点
      1. 必须处理好多线程同时访问的问题，可能引起性能受影响
IoDH
  1. 有没有一种方法，能够将两种单例的缺点都克服，而将两者的优点合二为一呢？答案是肯定的，即Initialization on Demand Holder技术
  2. IoDH：在单例类中增加一个静态内部类，在该内部类中，创建单例对象，再将该单例对象通过getInstance()方法返回给外部使用。
  3. 使用IoDH，既可以实现延迟加载，又可以保证线程安全，不影响系统性能，但是与编程语言本身的特性相关，很多面向对象语言不支持IoDH，例如C++。支持的语言有Java。
单例模式总结
  • 优点
    1. 提供了对唯一实例的受控访问。
    2. 节约系统资源
    3. 允许可变数目的实例。
  • 缺点
    1. 没有抽象层，扩展较为困难
    2. 职责过重，一定程度上违反了单一职责原则。
    3. 很多面向对象语言（例如Java，C#）的运行环境都提供了自动垃圾回收技术，因此，如果实例化的共享对象长期不被利用，会自动销毁并回收资源，下次利用时重新实例化，这将导致共享的单例对象状态的丢失。
  • 适用场景
    1. 系统只需要一个实例对象
    2. 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点。

2. 简单工厂模式——集中式工厂的实现

  1. 简单工厂模式（Simple Factory Pattern）：定义一个工厂类，它可以根据参数的不同返回不同类的实例，被创建类的实例通常具有共同的父类。

  2. 要点：

    1. 当你需要什么，只需要传入一个正确的参数，就可以获取你所需要的对象，而无须知道其创建细节。

  3. 结构图：

  4. 适用场景实例

    图标库：为应用系统提供各种不同外观的图表，例如柱状图、饼状图、折线图等等

  5. 代码示例

// Chart.h
/**
 * @brief 图表类接口
 *
 */
class Chart {
   
 public:
  virtual void display() = 0;
};

/**
 * @brief 柱状图
 *
 */
class HistogramChart : public Chart {
   
 public:
  HistogramChart();
  void display() override;
};

/**
 * @brief 饼状图
 *
 */
class PieChart : public Chart {
   
 public:
  PieChart();
  void display() override;
};

/**
 * @brief 折线图
 *
 */
class LineChart : public Chart {
   
 public:
  LineChart();
  void display() override;
};

// ChartFactory.h
class ChartFactory {
   
 public:
  static Chart* getChart(std::string type);
};

// Chart.cpp
HistogramChart::HistogramChart() {
    printf("创建柱状图！\n"); }

void HistogramChart::display() {
   
  printf("展示柱状图！\n");
  return;
}

PieChart::PieChart() {
    printf("创建饼状图！\n")

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