C++设计模式
C++设计模式之Adapter
一、功能
二、结构图
(1)class adapter
(2)object adapter
三、实现
和其他很多模式一样，学习设计模式的重点是学习每种模式的思想，而不应拘泥于它的某种具体结构图和实现。因为模式是灵活的，其实现可以是千变万化的，只是所谓万变不离其宗。在STL中大量运用了Adapter模式，象function adapter、iterator adpter，它们与这里说的adapter结构并不一样，但思想是一样的。具体的介绍可到侯捷网站上找相关文章，他讲得非常好。
四、示例代码
(1)class adapter
namespace DesignPattern_Adapter
{
// class Adaptee
class Adaptee
{
public:
void SpecialRequest() {}
} ;
// class Target
class Target
{
public:
virtual void Request() = 0 ;
} ;
// class Adapter
class Adapter : public Target, private Adaptee
{
public:
virtual void Request() { SpecialRequest() ; }
} ;
}
客户端代码：
{
using namespace DesignPattern_Adapter ;
Target *p = new Adapter() ;
p->Request() ; //实际上调用的是Adaptee::SpecialRequest()
}
(2)object adapter namespace
DesignPattern_Adapter
{
// class Adaptee
class Adaptee
{
public:
void SpecialRequest() {}
} ;
// class Target
class Target
{
public:
virtual void Request() = 0 ;
} ;
// class Adapter
class Adapter : public Target
{
public:
virtual void Request() { _adaptee.SpecialRequest() ; }
private:
Adaptee _adaptee ;
} ;
}
客户端代码：
{
using namespace DesignPattern_Adapter ;
Target *p = new Adapter() ;
p->Request() ; //实际上调用的是Adaptee::SpecialRequest()
}
六、实例
(1)STL中的Class Adapter
STL中的Adapter
Class包括：a.stack(对应的adaptee是deque)。b.queue(对应的adaptee是deque)。
c.priority_queue(对应的adaptee是vector)。 下面是从VC中的< stack
>拷出的stack的类定义：
template
class _Container = deque<_Ty> >
class stack
{ // LIFO queue implemented with a container
public:
typedef _Container container_type;
typedef typename _Container::value_type value_type;
typedef typename _Container::size_type size_type;
stack()
: c()
{ // construct with empty container
}
explicit stack(const _Container& _Cont)
: c(_Cont)
{ // construct by copying specified container
}
bool empty() const
{ // test if stack is empty
return (c.empty());
}
size_type size() const
{ // test length of stack
return (c.size());
}
value_type& top()
{ // return last element of mutable stack
return (c.back());
}
const value_type& top() const
{ // return last element of nonmutable stack
return (c.back());
}
void push(const value_type& _Val)
{ // insert element at end
c.push_back(_Val);
}
void pop()
{ // erase last element
c.pop_back();
}
bool _Eq(const stack<_Ty, _Container>& _Right)
const
{ // test for stack equality
return (c == _Right.c);
}
bool _Lt(const stack<_Ty, _Container>& _Right)
const
{ // test if this < _Right for stacks
return (c < _Right.c);
}
protected:
_Container c; // the underlying container
};
关键之处在于_Container c，stack所有的操作都转交给c去处理了。(这实际上就是前面所说的"object adapter"，注意STL中的class adapter与上面所说的class adapter概念不完全一致)
stack的使用方法很简单，如下：
{
int ia[] = { 1,3,2,4 };
deque id(ia, ia+4);
stack is(id);
}
(2)近日看了一篇文章“Generic< Programming >：简化异常安全代码”，原文出自http://www.cuj.com/experts/1812/alexandr.htm?topic= experts， 中文译文出自"C++ View第5期"。文章绝对一流，作者给出的代码中也使用了Adaptor模式，也有一定代表性。我将其问题一般化，概括出以下示例：
问题：假设有几个已有类，他们有某些共同的行为，但它们彼此间是独立的(没有共同的基类)。如：
class T1
{
public:
void Proc() {}
} ;
class T2
{
public:
void Proc() {}
} ;
// ...
如何以统一的方式去调用这些行为呢？
解决方法1：很自然的会想到用模板，如：
templatevoid Test(T t)
{
t.Proc() ;
}
的确不错，但这只适用于简单的情况，有时情况是很复杂的，比如我们无法把类型放到模板参数中！
解决方法2：困难来自于这些类没有共同的基类，所以我们就创造一个基类，然后再Adapt。
// class IAdaptor，抽象基类class IAdaptor
{
public:
virtual void Proc() = 0 ;
} ;
// class Adaptor
template
class Adaptor : public IAdaptor, private T //实现继承
{
public:
virtual void Proc() { T::Proc() ; }
} ;
// 以统一方式调用函数Proc，而不关心是T1、T2或其他什么类
void Test(const std::auto_ptr& sp)
{
sp->Proc() ;
}
客户端代码：
Test(std::auto_ptr(new Adaptor)) ;
Test(std::auto_ptr(new Adaptor)) ;
上例很简单，用方法一中的模板函数就可以很好地解决了。下面是一个略微复杂一点的例子，根据参数类型来创建适当的对象：
class T1
{
public:
T1(int) { }
void Proc() { }
} ;
class T2
{
public:
T2(char) { }
void Proc() { }
} ;
// class IAdaptor，抽象基类
class IAdaptor
{
public:
virtual void Proc() = 0 ;
} ;
// class Adaptor
template
class Adaptor : public IAdaptor, private T //实现继承
{
public:
Adaptor(int n) : T(n) {}
Adaptor(char c) : T(c) {}
virtual void Proc() { T::Proc() ; }
} ;
class Test
{
public:
Test(int n) : sp(new Adaptor(n)) {}
Test(char c) : sp(new Adaptor(c)) {}
void Proc() { sp->Proc() ; }
private:
std::auto_ptr sp ;
} ;
客户端代码：
Test t1(10) ;
t1.Proc() ;
Test t2('c') ;
t2.Proc() ;
上面是示例而非实例，你也许更愿意看看它实际的运用。去下载作者所写的代码，好好欣赏一下吧。
C++设计模式之Abstract Factory
一、功能
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。
二、结构图
类厂最基本的结构示意图如下：
在实际应用中，类厂模式可以扩充到很复杂的情况，如下图所示：
三、优缺点
优点：(1)封装创建过程。客户不用知道类厂是如何创建类实例的，类厂封闭了所有创建的细节。这样可选择不同的创建方法，增加了灵活性。 (2)将客户与具体类隔离，提高了各自的可重用性。
缺点：Factory类层次与具体类层次通常是平行的(即一一对应的)。增加一个具体类，一般也要相应地增加一个factory类，增加了系统复杂度。
四、实现
(1)Abstract Factory类中通常是一组Factory Method的集合。个人认为与Factory Method模式没有本质区别。
(2)通常可以把工厂作为单件。
五、示例代码
namespace
{
class
class
class
class
class
class
class
{
public:
virtual
virtual
} ;
class
{
public:
virtual
virtual
static
protected:
ConcreteFactory1() {}
private:
ConcreteFactory1(const
ConcreteFactory1&
} ;
class
{
public:
virtual
virtual
static
protected:
ConcreteFactory2() {}
private:
ConcreteFactory2(const
ConcreteFactory2&
} ;
}
客户端代码：
{
using
// 第一种创建方法
AbstractFactory *pFactory = ConcreteFactory1::Instance() ;
AbstractProductA *pProductA = pFactory->CreateProductA()
;
AbstractProductB *pProductB = pFactory->CreateProductB()
;
// 第二种创建方法
pFactory = ConcreteFactory2::Instance() ;
pProductA = pFactory->CreateProductA() ;
pProductB = pFactory->CreateProductB() ;
}
六、实例
最早知道类厂的概念是在COM中，但当时也没想到这是如此重要的一种模式，在许多其他模式中都可以用到类厂模式。 COM中不能直接创建组件，这也是由COM的一个特性决定的：即客户不知道要创建的组件的类名。
C++设计模式之Singleton
一、功能
保证一个类仅有一个实例。
二、结构图
三、优缺点
Singleton模式是做为"全局变量"的替代品出现的。所以它具有全局变量的特点：全局可见、贯穿应用程序的整个生命期，它也具有全局变量不具备的性质：同类型的对象实例只可能有一个。
四、实现
教科书上的Singleton定义如下：
class Singleton
{
public:
static Singleton* Instance() ;
protected:
Singleton() {}
private:
static Singleton *_instance ;
Singleton(const Singleton&) ;
Singleton& operator=(const Singleton&) ;
} ;
Singleton* Singleton::_instance = NULL ;
Singleton* Singleton::Instance()
{
(_instance == NULL) ? _instance = new Singleton() : 0 ; //lazy
initialization
return _instance ;
}
(1)因为返回的是指针，为防止用户调用delete函数，可把static Singleton *_instance；改为在Instance()中定义static Singleton _instance。这样显然更安全，同时也具有lazy initialization的特性(即第一次访问时才创建)。
(2)假设需要从Singleton派生子类，而子类也需要有同样的性质，既只能创建一个实例。我觉得，这很难办。根本原因在于Instance()函数不是虚函数，不具有多态的性质。一种常用方法是把 Instance()函数移到子类中，这时就只能用static Singleton *_instance，而不能用static Singleton _instance了，除非把_instance也要移到子类，无论怎么做都不优雅。另一种方法是用模板。具体用什么方法，只能根据实际情况权衡。
五、示例代码
(1)没子类的情况
{
class Singleton
{
public:
static Singleton* Instance() { static Singleton _instance ; return
&_instance ; }
protected:
Singleton() {}
private:
Singleton(const Singleton&) ;
Singleton& operator=(const Singleton&) ;
} ;
}
客户端代码：
{
using namespace DesignPattern_Singleton ;
Singleton *p = Singleton::Instance() ;
......
}
(2)有子类的情况
方法一：
namespace DesignPattern_Singleton
{
// class Singleton
class Singleton
{
protected:
Singleton() {}
static Singleton *_instance ;
private:
Singleton(const Singleton&) ;
Singleton& operator=(const Singleton&) ;
} ;
Singleton* Singleton::_instance = NULL
;
// class ConcreteSingleton
class ConcreteSingleton : public Singleton
{
public:
static Singleton* Instance() ;
protected:
ConcreteSingleton() {}
} ;
Singleton* ConcreteSingleton::Instance()
{
(_instance == NULL) ? _instance = new ConcreteSingleton() : 0
;
return _instance ;
}
}
客户端代码：
{
using namespace DesignPattern_Singleton ;
Singleton *p = ConcreteSingleton::Instance() ;
}
方法二：
namespace DesignPattern_Singleton
{
// class Singleton
class Singleton
{
protected:
Singleton() {}
private:
Singleton(const Singleton&) ;
Singleton& operator=(const Singleton&) ;
} ;
// class ConcreteSingleton
class ConcreteSingleton : public Singleton
{
public:
static Singleton* Instance() { static ConcreteSingleton _instance ;
return &_instance ; }
protected:
ConcreteSingleton() {}
} ;
}
客户端代码：
{
using namespace DesignPattern_Singleton ;
Singleton *p = ConcreteSingleton::Instance() ;
}
方法三：
namespace DesignPattern_Singleton
{
template < class T >
class Singleton
{
public:
static T* Instance() { static T _instance ; return &_instance ;
}
protected:
Singleton() {}
private:
Singleton(const Singleton &) ;
Singleton& operator=(const Singleton&) ;
} ;
class ConcreteSingleton : public Singleton< ConcreteSingleton
> {} ;
}
客户端代码
{
using namespace DesignPattern_Singleton ;
ConcreteSingleton *p = ConcreteSingleton::Instance() ;
}
C++模式开发之Bridge
一、功能
将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化。
二、结构图
三、示例代码
namespace DesignPattern_Bridge{
// class Implementor
class Implementor
{
public:
virtual void OperationImp() = 0 ;
} ;
// class ConcreteImplementorA
class ConcreteImplementorA : public Implementor
{
public:
virtual void OperationImp() {}
} ;
// class ConcreteImplementorB
class ConcreteImplementorB : public Implementor
{
public:
virtual void OperationImp() {}
} ;
// class Abstraction
class Abstraction
{
public:
void Operation(Implementor* imp) { assert(imp) ; imp->OperationImp() ; }
} ;
}
客户端代码：
{
using namespace DesignPattern_Bridge ;
Abstraction obj ;
Implementor *impa = new ConcreteImplementorA() ;
Implementor *impb = new ConcreteImplementorB() ;
obj.Operation(impa) ; //第一种实现方法
obj.Operation(impb) ; //第二种实现方法
}
四、实例
(1)创建可以在X Window System和IBM的Presentation Manager系统中都可以使用的窗口。(书上的例子)
Bridge的魅力在于抽象和实现之间是松散的关系，它们之间可以进行随意组合。如上图中，就有IconWindow+ XWindowImp、TransientWindow+XWindowImp、IconWindow+PMWindowImp、 TransientWindow+PMWindowImp四种组合。
C++模式设计之Builder
一、功能
将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
二、结构图
各类之间的交互关系如下图所示：
三、示例代码
namespace DesignPattern_Builder
{
class Product1 { } ;
class Product2 { } ;
// class Builder
class Builder //抽象基类
{
public:
virtual void BuilderPartA() {} //提供缺省实现
virtual void BuilderPartB() {}
virtual void BuilderPartC() {}
protected:
Builder() {}
} ;
// class ConcreteBuilder1
class ConcreteBuilder1 : public Builder //创建Product1
{
public:
ConcreteBuilder1() : _product(NULL) {}
virtual void BuilderPartA() { }
virtual void BuilderPartB() { }
virtual void BuilderPartC() { }
virtual Product1* GetProduct1() { return _product ; }
//返回创建的Product1对象
private:
Product1 *_product ;
} ;
// class ConcreteBuilder2
class ConcreteBuilder2 : public Builder //创建Product2
{
public:
ConcreteBuilder2() : _product(NULL) {}
virtual void BuilderPartA() { }
virtual void BuilderPartB() { }
virtual void BuilderPartC() { }
virtual Product2* GetProduct2() { return _product ; }
//返回创建的Product2对象
private:
Product2 *_product ;
} ;
// class Director
class Director
{
public:
//创建对象(Director并不知道具体创建出来的对象是什么样的，只有调用该函数的client知道)
void Construct(Builder *builder)
{
builder->BuilderPartA() ;
builder->BuilderPartB() ;
builder->BuilderPartC() ;
}
} ;
}
客户端代码：
{
using namespace DesignPattern_Builder ;
Director director ;
// 创建第一种对象
ConcreteBuilder1 *pBuilder1 = new ConcreteBuilder1() ;
director.Construct(pBuilder1) ;
Product1 *product1 = pBuilder1->GetProduct1()
;
// 创建第二种对象
ConcreteBuilder2 *pBuilder2 = new ConcreteBuilder2() ;
director.Construct(pBuilder2) ;
Product2 *product2 = pBuilder2->GetProduct2() ;
}
四、实例
(1)例子一。如下图所示：
上图的功能是是把一个RTF文件转换为多种正文格式。RTFReader进行语法分析，然后将所有的token串逐一转换。可见builder就是一步步地把各个部分组装为一个整体。它封闭了组装的方法，组装出来的对象也大相径庭。
C++设计模式之Prototype
一、功能
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。
二、结构图
三、优缺点
优点：复制自身。客户不知道需要对象的实际类型，只需知道它的抽象基类即可。(即有继承树的情况)
缺点：必须先有一个对象实例(即原型)才能clone。
四、示例代码
namespace DesignPattern_Prototype{
// class Prototype
class Prototype //抽象基类
{
public:
virtual Prototype* Clone() = 0 ;
} ;
// class ConcretePrototype1
class ConcretePrototype1 : public Prototype
{
public:
virtual Prototype* Clone()
{
ConcretePrototype1 *p = new ConcretePrototype1() ;
*p = *this ; //复制对象
return p ;
}
} ;
// class ConcretePrototype2
class ConcretePrototype2 : public Prototype
{
public:
virtual Prototype* Clone()
{
ConcretePrototype2 *p = new ConcretePrototype2() ;
*p = *this ; //复制对象
return p ;
}
} ;
}
客户端代码：
{
using namespace DesignPattern_Prototype ;
ConcretePrototype1 *obj1 = new ConcretePrototype1() ;//原型对象1
ConcretePrototype2 *obj2 = new ConcretePrototype2() ;//原型对象2
Prototype *newobj1 = obj1->Clone() ;//克隆对象1
Prototype *newobj2 = obj2->Clone() ;//克隆对象2
//使用复制出的对象newobj1和newobj2
}
五、实例
在一个图形编辑器中，每一个图形元素，如线、圆、文字等都应该支持拷贝操作，即点中图形，按下Ctrl+C，再按下Ctrl+V后就会复制一个新的图形。显然这是一种clone操作。所以在每个从Graphic派生出的图形子类都应运用Prototype模式，加上Clone操作。
C++设计模式之Factory Method
一、功能
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。Factory Method 使一个类的实例化延迟到其子类。
二、结构图
三、实现
(1)在某些情况下，比如仅仅为了创建适当的Product对象而派生新的Creator子类，并且创建不同Product的方法一致时，可以考虑用模板代替继承。如：
class Creator{
public:
virtual Product* CreateProduct() = 0 ;
};
template < class ConcreteProduct >
class ConcreteCreator: public Creator
{
public:
virtual Product* CreateProduct() { return new ConcreteProduct() ; }
};
模板与继承的本质区别之一是：模板：行为不依赖于类型。继承：行为依赖于类型。(Effective C++ Item 41) 事实上，在很多模式中都存在着可以用模板代替继承的情况，其根本原因就在于子类的行为是一致的。
四、示例代码
namespace DesignPattern_FactoryMethod{
class Product { } ;
class ConcreteProduct : public Product { } ;
// class Creator
class Creator
{
public:
virtual Product* CreateProduct() = 0 ;
void Operate() ;
} ;
void Creator::Operate()
{
// ...
Product *p = CreateProduct() ;
// ...
}
// class ConcreteCreator
class ConcreteCreator : public Creator
{
public:
virtual Product* CreateProduct() { return new ConcreteProduct() ; }
} ;
}
客户端代码：
{
using namespace DesignPattern_FactoryMethod ;
ConcreteCreator p ;
p.Operate() ;
}
这里的CreateProduct其实也是一个Template Method。
五、实例
Factory Method的运用太广泛了，它经常运用在其它模式中，其实例举不胜数。
(1)
MFC中的CDocument类就包含了类似于上图CApplication中的三个函数。这里的CreateDocument就是一个factory method，因为它负责创建一个文档对象。
(2)
当一个类将它的一些职责委托给一个独立的类时，就产生了平行类层次。上图中Figure和Manipulator就是平行类层次，Figure代表一些图形元素，如线、文字等，Manipulator表示作用于这些图形元素的操作，如拖拉、移动、选中等。如果这些操作所需要的状态信息并不需要保存在Figure中，那么把Figure和Manipulator分成两个类层次是个好主意。这里的CreateManipulator就是一个factory method。
C++设计模式之Composite
一、功能
表示“部分-整体”关系，并使用户以一致的方式使用单个对象和组合对象。
二、结构图
上图中，也可以做些扩展，根据需要可以将Leaf和Composite做为抽象基类，从中派生出子类来。
三、优缺点
优点：对于Composite模式，也许人们一开始的注意力会集中在它是如何实现组合对象的。但Composite最重要之处在于用户并不关心是组合对象还是单个对象，用户将以统一的方式进行处理，所以基类应是从单个对象和组合对象中提出的公共接口。
缺点：Composite最大的问题在于不容易限制组合中的组件。
四、实现
有时需要限制组合中的组件，即希望一个Composite只能有某些特定的Leaf。这个问题我是用多继承和动态类型转换来解决的。假如组合对象Composite1只能包含单个对象ConcreteLeaf1，Composite2可以包含单个对象 ConcreteLeaf1和ConcreteLeaf2。如下图所示：
上图中的类层次比较多，使用了AbstractLeaf1和AbstractLeaf2，但没使用 AbstractComposite1和AbstractComposite2，这个并不重要，也可以把AbstractLeaf1和 AbstractLeaf2去掉，这个并不重要，可以根据具体情况决定要不要。
简单的代码实现如下：
namespace DesignPattern_Composite{
class Component
{
public:
virtual void operation() = 0 ;
virtual void Add(Component*) {}
} ;
class AbstractComponent1 : virtual public Component {} ;
class AbstractLeaf1 : virtual public AbstractComponent1 {} ;
class Composite1 : public AbstractComponent1
{
public:
virtual void operation() { }
virtual void Add(Component*) ;
} ;
void Composite1::Add(Component *p)
{
AbstractComponent1 *pc1 = dynamic_cast＜ABSTRACTCOMPONENT1*＞(p) ;
if (pc1 == NULL) return ;
// do add operation
}
class AbstractComponent2 : virtual public Component {} ;
class AbstractLeaf2 : virtual public AbstractComponent2 {} ;
class Composite2 : public AbstractComponent2
{
public:
virtual void operation() { }
virtual void Add(Component*) ;
} ;
void Composite2::Add(Component *p)
{
AbstractComponent2 *pc2 = dynamic_cast＜ABSTRACTCOMPONENT2*>(p) ;
if (pc2 == NULL) return ;
// do add operation
}
class ConcreteLeaf1 : public AbstractLeaf1
{
public:
virtual void operation() { }
} ;
class ConcreteLeaf2 : public AbstractLeaf1, public AbstractLeaf2
{
public:
virtual void operation() { }
} ;
}
客户端代码：
｛
using namespace DesignPattern_Composite ;
Component *pc1 = new ConcreteLeaf1() ;
Component *pc2 = new ConcreteLeaf2() ;
Component *pc3 = new Composite1() ;
Component *pc4 = new Composite2() ;
pc3->Add(pc1) ; // ok
pc3->Add(pc2) ; // ok
pc3->Add(pc3) ; // ok
pc3->Add(pc4) ; // fail
pc4->Add(pc1) ; // fail
pc4->Add(pc2) ; // ok
pc4->Add(pc3) ; // fail
pc4->Add(pc4) ; // ok
}
有两点需要注意，一是因为用了多继承，所以需要使用virtual inheritance。二是要用dynamic_cast来判断是否允许组合该组件。
五、示例代码
namespace DesignPattern_Composite{
// class Component
class Component
{
public:
virtual void Operation() = 0 ;
virtual void Add(Component*) {}
} ;
// class Leaf
class Leaf : public Component
{
public:
virtual void Operation() {}
} ;
// class Composite
class Composite : public Component
{
public:
virtual void Add(Component *p) { _list.push_back(p) ; }
virtual void Operation()
{
vector< Component* >::const_iterator it ;
for (it = _list.begin(); it != _list.end(); it++)
(*it)->Operation() ;
}
private:
vector< Component* > _list ;
} ;
}
六、实例
(1)JUnit中就用的是Composite模式。
