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盘点c++几种常见的设计模式及具体实现

2020-12-01    
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1.单例模式

作用：保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点，使得系统中只有唯一的一个对象实例。

应用：常用于管理资源，如日志、线程池

实现要点：

在类中，要构造一个实例，就必须调用类的构造函数，并且为了保证全局只有一个实例，

需防止在外部调用类的构造函数而构造实例，需要将构造函数的访问权限标记为private，

同时阻止拷贝创建对象时赋值时拷贝对象，因此也将它们声明并权限标记为private；

另外，需要提供一个全局访问点，就需要在类中定义一个static函数，返回在类内部唯一构造的实例。

class Singleton{
public:
static Singleton& getInstance(){
static Singleton instance;
return instance;
}
void printTest(){
cout<<"do something"<<endl;
}
private:
Singleton(){}//防止外部调用构造创建对象
Singleton(Singleton const &singleton);//阻止拷贝创建对象
Singleton& operator=(Singleton const &singleton);//阻止赋值对象
};
int main()
{
Singleton &a=Singleton::getInstance();
a.printTest();
return 0;
}

首先，构造函数声明成private的目的是只允许内部调用，getInstance()中的静态局部变量创建时调用，但不允许外部调用构造创建第二个实例；

然后，拷贝构造和拷贝赋值符是声明成了private而不给出定义，其目的是阻止拷贝，如果企图通过拷贝构造来创建第二个实例，编译器会报错。

阻止拷贝的另一种写法是声明后接一个"=delete",也能起到相同的作用（C++11）。

2.工厂模式

工厂模式包括三种：简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式。

工厂模式的主要作用是封装对象的创建，分离对象的创建和操作过程，用于批量管理对象的创建过程，便于程序的维护和扩展。

（1）简单工厂模式

简单工厂是工厂模式最简单的一种实现，对于不同产品的创建定义一个工厂类，将产品的类型作为参数传入到工厂的创建函数，根据类型分支选择不同的产品构造函数。

//简单工厂模式
typedef enum ProductTypeTag
{
TypeA,
TypeB,
TypeC
}PRODUCTTYPE;
class Product//产品抽象基类
{
public:
virtual void Show() = 0;
};
class ProductA : public Product
{
public:
void Show()
{
cout<<"I'm ProductA"<<endl;
}
};
class ProductB : public Product
{
public:
void Show()
{
cout<<"I'm ProductB"<<endl;
}
};
class ProductC : public Product
{
public:
void Show()
{
cout<<"I'm ProductC"<<endl;
}
};
class Factory//工厂类
{
public:
Product* CreateProduct(PRODUCTTYPE type)
{
switch (type)
{
case TypeA:
return new ProductA();
case TypeB:
return new ProductB();
case TypeC:
return new ProductC();
default:
return NULL;
}
}
};
int main()
{
Factory productCreator;
Product *productA=productCreator.CreateProduct(TypeA);
Product *productB=productCreator.CreateProduct(TypeB);
Product *productC=productCreator.CreateProduct(TypeC);
productA->Show();
productB->Show();
productC->Show();
if(productA){
delete productA;
productA=NULL;
}
if(productB){
delete productB;
productB=NULL;
}
if(productC){
delete productC;
productC=NULL;
}
return 0;
}

（2）工厂方法模式

 

其实这才是正宗的工厂模式，简单工厂模式只是一个简单的对创建过程封装。工厂方法模式在简单工厂模式的基础上增加对工厂的基类抽象，不同的产品创建采用不同的工厂创建（从工厂的抽象基类派生），这样创建不同的产品过程就由不同的工厂分工解决：FactoryA专心负责生产ProductA，FactoryB专心负责生产ProductB，FactoryA和FactoryB之间没有关系；如果到了后期，如果需要生产ProductC时，我们则可以创建一个FactoryC工厂类，该类专心负责生产ProductC类产品。

该模式相对于简单工厂模式的优势在于：便于后期产品种类的扩展。

//工厂方法模式
typedef enum ProductTypeTag
{
TypeA,
TypeB,
TypeC
}PRODUCTTYPE;
class Product//产品抽象基类
{
public:
virtual void Show() = 0;
};
class ProductA : public Product
{
public:
void Show()
{
cout<<"I'm ProductA"<<endl;
}
};
class ProductB : public Product
{
public:
void Show()
{
cout<<"I'm ProductB"<<endl;
}
};
class Factory//工厂类
{
public:
virtual Product *createProduct()=0;
};
class FactoryA:public Factory{
public:
Product *createProduct(){
return new ProductA();
}
};
class FactoryB:public Factory{
public:
Product *createProduct(){
return new ProductB();
}
};
class FactoryC:public Factory{
public:
Product *createProduct(){
return new ProductC();
}
};
int main()
{
Factory *factoryA=new FactoryA();
Product *productA = factoryA->createProduct();
productA->Show();
Factory *factoryB=new FactoryB();
Product *productB = factoryB->createProduct();
productB->Show();
if (factoryA)
{
delete factoryA;
factoryA = NULL;
}
if (factoryB)
{
delete factoryB;
factoryB = NULL;
}
if (productA)
{
delete productA;
productA = NULL;
}
if (productB)
{
delete productB;
productB = NULL;
}
return 0;
}

（3）抽象工厂模式

抽象工厂模式对工厂方法模式进行了更加一般化的描述。工厂方法模式适用于产品种类结构单一的场合，为一类产品提供创建的接口；而抽象工厂方法适用于产品种类结构多的场合，就是当具有多个抽象产品类型时，抽象工厂便可以派上用场。

抽象工厂模式更适合实际情况，受生产线所限，让低端工厂生产不同种类的低端产品，高端工厂生产不同种类的高端产品。

//抽象工厂模式
class ProductA
{
public:
virtual void Show() = 0;
};
class ProductA1 : public ProductA//A类低端产品
{
public:
void Show()
{
cout<<"I'm ProductA1"<<endl;
}
};
class ProductA2 : public ProductA//A类高端产品
{
public:
void Show()
{
cout<<"I'm ProductA2"<<endl;
}
};
class ProductB
{
public:
virtual void Show() = 0;
};
class ProductB1 : public ProductB//B类低端产品
{
public:
void Show()
{
cout<<"I'm ProductB1"<<endl;
}
};
class ProductB2 : public ProductB//B类高端产品
{
public:
void Show()
{
cout<<"I'm ProductB2"<<endl;
}
};
class Factory
{
public:
virtual ProductA *CreateProductA() = 0;
virtual ProductB *CreateProductB() = 0;
};
class Factory1 : public Factory//1号工厂用于生产低端产品
{
public:
ProductA *CreateProductA()
{
return new ProductA1();
}
ProductB *CreateProductB()
{
return new ProductB1();
}
};
class Factory2 : public Factory//2号工厂用于生产高端产品
{
ProductA *CreateProductA()
{
return new ProductA2();
}
ProductB *CreateProductB()
{
return new ProductB2();
}
};
int main()
{
Factory *factory1 = new Factory1();
ProductA *productA1 = factory1->CreateProductA();
ProductB *productB1 = factory1->CreateProductB();
productA1->Show();
productB1->Show();
Factory *factory2 = new Factory2();
ProductA *productA2 = factory2->CreateProductA();
ProductB *productB2 = factory2->CreateProductB();
productA2->Show();
productB2->Show();
if (factory1)
{
delete factory1;
factory1 = NULL;
}
if (productA1)
{
delete productA1;
productA1= NULL;
}
if (productB1)
{
delete productB1;
productB1 = NULL;
}
if (factory2)
{
delete factory2;
factory2 = NULL;
}
if (productA2)
{
delete productA2;
productA2 = NULL;
}
if (productB2)
{
delete productB2;
productB2 = NULL;
}
}

3 策略模式

策略模式也是一种非常常用的设计模式，而且也不复杂。下面我们就来看看这种模式。

定义：策略模式定义了一系列的算法，并将每一个算法封装起来，而且使它们还可以相互替换。策略模式让算法独立于使用它的客户而独立变化。

角色：
抽象策略角色（Strategy）： 抽象策略类。
具体策略角色(ConcreteStrategy)：封装了继续相关的算法和行为。
环境角色(Context)：持有一个策略类的引用，最终给客户端调用。

UML图：

盘点c++几种常见的设计模式及具体实现

 

事例： （该事例改编自一道网络设计模式面试题）

如现在你是一个设计师，你正在设计一种空调。但是你们的空调要支持3种模式。冷风模式（ColdWind）, 热风模式(WramWind)，无风模式（NoWind）。
当选择ColdWind模式，将输送冷风；当选择WarmWind模式，将输送热风；在选择NoWind模式时，空调什么都不做。你将考虑如何为空调设计应用程序？如果将来空调需要增加支持新的模式呢？

这道面试题，其实可以用各种模式实现，然而在这里我理解策略模式比较合适。我们将冷风模式，和热风模式以及无风模式可以理解为各种不同的算法。显然策略模式非常符合。

这里ColdWind, WramWind, NoWind 其实就是ConcreteStrategy。 IWnd 是抽象策略类。 所以我们开始这么封装我们策略类

#include <IOStream>
using namespace std;
#define  free_ptr(p) 
	if(p) delete p; p = NULL;
 
class IWind{
public:
	virtual ~IWind(){};
	virtual void blowWind() = 0;
};
 
class ColdWind : public IWind{
public:
	void blowWind(){
		cout<<"Blowing cold wind!"<<endl;
	};
};
 
class WarmWind : public IWind{
public:
	void blowWind(){
		cout<<"Blowing warm wind!"<<endl;
	}
};
 
class NoWind : public IWind{
public:
	void blowWind(){
		cout<<"No Wind!"<<endl;
	}
};

然后我们实现一个windmode 的类，作为 wind 系列的环境类：

class WindMode{
public:
	WindMode(IWind* wind): m_wind(wind){};
	~WindMode(){free_ptr(m_wind);}
	void blowWind(){
		m_wind->blowWind();
	};
private:
	IWind* m_wind;
};

最后客户端代码：

int main(int argc, char* argv[])
{
	WindMode* warmWind = new WindMode(new WarmWind());
	WindMode* coldWind = new WindMode(new ColdWind());
	WindMode* noWind = new WindMode(new NoWind());
 
	warmWind->BlowWind();
	coldWind->BlowWind();
	noWind->BlowWind();
 
	free_ptr(warmWind);
	free_ptr(coldWind);
	free_ptr(noWind);
	system("pause");
	return 0;
}

（这个实例网上也有人用命令模式实现。命令模式请看我后面的博客。把冷风，热风，无风作为一种命令。当然这是另外一种思路，也未尝不可。但是我觉得如果采用命令模式。类的个数会相应增加（增加系列的命令类），造成额外的开销。当添加一个新模式的时候，你需要添加的类过多。或多或少不是那么明智。所以我个人认为在这里策略模式更好一些。）

总的说来策略模式：

优点：
1、 使用策略模式可以避免使用多重条件转移语句。多重转移语句不易维护。
2、 策略模式让你可以动态的改变对象的行为，动态修改策略
缺点：
1、客户端必须知道所有的策略类，并自行决定使用哪一个策略类。
2、类过多---策略模式造成很多的策略类，每个具体策略类都会产生一个新类。（这点可以通过享元模式来克服类过多）

模式定义：

命令模式将“请求”封装成对象，以便使用不同的请求、队列或者日志来参数化其他对象。命令模式也支持可撤销的操作。

命令对象将动作和接受者包进对象中，这个对象只暴露一个execute()方法。

当需要将发出请求的对象和执行请求的对象解耦的时候，使用命令模式。

模式结构：

盘点c++几种常见的设计模式及具体实现

 

举例：

遥控器上有一个插槽，可以放上不同的装置，然后用按钮控制。我们这里放置电灯，并有开和关按钮。可以命令模式实现。

UML设计：

盘点c++几种常见的设计模式及具体实现

 

其中，RemoteControl为遥控器，LightOnCommand为开灯请求对象，LightOffCommand为关灯请求对象，他们继承自基类Command，这样设计可以使插槽在以后防止其他的装置。

#include <iostream>
 
using namespace std;
 
//电灯类
class Light
{
public:
	void on()
	{
		cout << "Light on !" << endl;
	}
 
	void off()
	{
		cout << "Light off !" << endl;
	}
};
//命令类
class Command
{
public:
	virtual void execute(){}
};
//具体命令类
class LigthOnCommand : public Command
{
public:
	LigthOnCommand(Light* lig):light(lig){}
	//execute方法
	void execute()
	{
		light->on();
	}
private:
	Light* light;
};
 
class LigthOffCommand : public Command
{
public:
	LigthOffCommand(Light* lig):light(lig){}
	void execute()
	{
		light->off();
	}
private:
	Light* light;
};
 
//遥控器类
class RemoteControl
{
public:
	void setCommand(Command* command)
	{
		slot = command;
	}
	void buttonOn()
	{
		slot->execute();
	}
private:
	Command* slot;
};
//客户代码
int main()
{
	RemoteControl lightOnControl;
	RemoteControl lightOffControl;
 
	Command* onCommand = new LigthOnCommand(new Light());
	Command* offCommand = new LigthOffCommand(new Light());
 
	lightOnControl.setCommand(onCommand);
	lightOffControl.setCommand(offCommand);
 
	lightOnControl.buttonOn();
	lightOffControl.buttonOn();
 
	return 0;
}

执行结果：

Lighton !

Lightoff !

请按任意键继续. .

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