C++各类设计模式及实现详解
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C++各类设计模式及实现详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
软件领域中的设计模式为开发人员提供了一种使用专家设计经验的有效途径。设计模式中运用了面向对象编程语言的重要特性：封装、继承、多态，真正领悟设计模式的精髓是可能一个漫长的过程，需要大量实践经验的积累。最近看设计模式的书，对于每个模式，用C++写了个小例子，加深一下理解。
一、设计模式的分类
总体来说设计模式分为三大类
创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。
结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。
行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。
其实还有两类：并发型模式和线程池模式。
二、设计模式的六大原则
总原则：开闭原则（Open Close Principle）
开闭原则就是说对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，而是要扩展原有代码，实现一个热插拔的效果。所以一句话概括就是：为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类等，后面的具体设计中我们会提到这点。
1、单一职责原则
不要存在多于一个导致类变更的原因，也就是说每个类应该实现单一的职责，如若不然，就应该把类拆分。
2、里氏替换原则（Liskov Substitution Principle）
里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。
历史替换原则中，子类对父类的方法尽量不要重写和重载。因为父类代表了定义好的结构，通过这个规范的接口与外界交互，子类不应该随便破坏它。
3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）
这个是开闭原则的基础，具体内容：面向接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。写代码时用到具体类时，不与具体类交互，而与具体类的上层接口交互。
4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）
这个原则的意思是：每个接口中不存在子类用不到却必须实现的方法，如果不然，就要将接口拆分。使用多个隔离的接口，比使用单个接口（多个接口方法集合到一个的接口）要好。
5、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）
就是说：一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说无论被依赖的类多么复杂，都应该将逻辑封装在方法的内部，通过public方法提供给外部。这样当被依赖的类变化时，才能最小的影响该类。
最少知道原则的另一个表达方式是：只与直接的朋友通信。类之间只要有耦合关系，就叫朋友关系。耦合分为依赖、关联、聚合、组合等。我们称出现为成员变量、方法参数、方法返回值中的类为直接朋友。局部变量、临时变量则不是直接的朋友。我们要求陌生的类不要作为局部变量出现在类中。
6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）
原则是尽量首先使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。
1.工厂模式
工厂模式属于创建型模式，大致可以分为三类，简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式。听上去差不多，都是工厂模式。下面一个个介绍，首先介绍简单工厂模式，它的主要特点是需要在工厂类中做判断，从而创造相应的产品。当增加新的产品时，就需要修改工厂类。有点抽象，举个例子就明白了。有一家生产处理器核的厂家，它只有一个工厂，能够生产两种型号的处理器核。客户需要什么样的处理器核，一定要显示地告诉生产工厂。下面给出一种实现方案。
enum CTYPE COREA, COREB;
class SingleCore
public:
virtual void Show() = 0;
;
//单核A
class SingleCoreA: public SingleCore
public:
void Show() cout<<"SingleCore A"<<endl;
;
//单核B
class SingleCoreB: public SingleCore
public:
void Show() cout<<"SingleCore B"<<endl;
;
//唯一的工厂，可以生产两种型号的处理器核，在内部判断
class Factory
public:
SingleCore* CreateSingleCore(enum CTYPE ctype)
if(ctype == COREA) //工厂内部判断
return new SingleCoreA(); //生产核A
else if(ctype == COREB)
return new SingleCoreB(); //生产核B
else
return NULL;
; 这样设计的主要缺点之前也提到过，就是要增加新的核类型时，就需要修改工厂类。这就违反了开放封闭原则：软件实体（类、模块、函数）可以扩展，但是不可修改。于是，工厂方法模式出现了。所谓工厂方法模式，是指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。
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听起来很抽象，还是以刚才的例子解释。这家生产处理器核的产家赚了不少钱，于是决定再开设一个工厂专门用来生产B型号的单核，而原来的工厂专门用来生产A型号的单核。这时，客户要做的是找好工厂，比如要A型号的核，就找A工厂要；否则找B工厂要，不再需要告诉工厂具体要什么型号的处理器核了。下面给出一个实现方案。
class SingleCore
public:
virtual void Show() = 0;
;
//单核A
class SingleCoreA: public SingleCore
public:
void Show() cout<<"SingleCore A"<<endl;
;
//单核B
class SingleCoreB: public SingleCore
public:
void Show() cout<<"SingleCore B"<<endl;
;
class Factory
public:
virtual SingleCore* CreateSingleCore() = 0;
;
//生产A核的工厂
class FactoryA: public Factory
public:
SingleCoreA* CreateSingleCore() return new SingleCoreA;
;
//生产B核的工厂
class FactoryB: public Factory
public:
SingleCoreB* CreateSingleCore() return new SingleCoreB;
; 工厂方法模式也有缺点，每增加一种产品，就需要增加一个对象的工厂。如果这家公司发展迅速，推出了很多新的处理器核，那么就要开设相应的新工厂。在C++实现中，就是要定义一个个的工厂类。显然，相比简单工厂模式，工厂方法模式需要更多的类定义。
既然有了简单工厂模式和工厂方法模式，为什么还要有抽象工厂模式呢？它到底有什么作用呢？还是举这个例子，这家公司的技术不断进步，不仅可以生产单核处理器，也能生产多核处理器。现在简单工厂模式和工厂方法模式都鞭长莫及。抽象工厂模式登场了。它的定义为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。具体这样应用，这家公司还是开设两个工厂，一个专门用来生产A型号的单核多核处理器，而另一个工厂专门用来生产B型号的单核多核处理器，下面给出实现的代码。
//单核
class SingleCore
public:
virtual void Show() = 0;
;
class SingleCoreA: public SingleCore
public:
void Show() cout<<"Single Core A"<<endl;
;
class SingleCoreB :public SingleCore
public:
void Show() cout<<"Single Core B"<<endl;
;
//多核
class MultiCore
public:
virtual void Show() = 0;
;
class MultiCoreA : public MultiCore
public:
void Show() cout<<"Multi Core A"<<endl;
;
class MultiCoreB : public MultiCore
public:
void Show() cout<<"Multi Core B"<<endl;
;
//工厂
class CoreFactory
public:
virtual SingleCore* CreateSingleCore() = 0;
virtual MultiCore* CreateMultiCore() = 0;
;
//工厂A，专门用来生产A型号的处理器
class FactoryA :public CoreFactory
public:
SingleCore* CreateSingleCore() return new SingleCoreA();
MultiCore* CreateMultiCore() return new MultiCoreA();
;
//工厂B，专门用来生产B型号的处理器
class FactoryB : public CoreFactory
public:
SingleCore* CreateSingleCore() return new SingleCoreB();
MultiCore* CreateMultiCore() return new MultiCoreB();
; 至此，工厂模式介绍完了。给出三种工厂模式的UML图，加深印象。
简单工厂模式的UML图：
工厂方法的UML图：
抽象工厂模式的UML图：
2.策略模式
策略模式是指定义一系列的算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可相互替换。本模式使得算法可独立于使用它的客户而变化。也就是说这些算法所完成的功能一样，对外的接口一样，只是各自实现上存在差异。用策略模式来封装算法，效果比较好。下面以高速缓存（Cache）的替换算法为例，实现策略模式。
什么是Cache的替换算法呢？简单解释一下， 当发生Cache缺失时，Cache控制器必须选择Cache中的一行，并用欲获得的数据来替换它。所采用的选择策略就是Cache的替换算法。下面给出相应的UML图。
ReplaceAlgorithm是一个抽象类，定义了算法的接口，有三个类继承自这个抽象类，也就是具体的算法实现。Cache类中需要使用替换算法，因此维护了一个 ReplaceAlgorithm的对象。这个UML图的结构就是策略模式的典型结构。下面根据UML图，给出相应的实现。
首先给出替换算法的定义。
//抽象接口
class ReplaceAlgorithm
public:
virtual void Replace() = 0;
;
//三种具体的替换算法
class LRU_ReplaceAlgorithm : public ReplaceAlgorithm
public:
void Replace() cout<<"Least Recently Used replace algorithm"<<endl;
;
class FIFO_ReplaceAlgorithm : public ReplaceAlgorithm
public:
void Replace() cout<<"First in First out replace algorithm"<<endl;
;
class Random_ReplaceAlgorithm: public ReplaceAlgorithm
public:
void Replace() cout<<"Random replace algorithm"<<endl;
; 接着给出Cache的定义，这里很关键，Cache的实现方式直接影响了客户的使用方式，其关键在于如何指定替换算法。
方式一：直接通过参数指定，传入一个特定算法的指针。
//Cache需要用到替换算法
class Cache
private:
ReplaceAlgorithm *m_ra;
public:
Cache(ReplaceAlgorithm *ra) m_ra = ra;
~Cache() delete m_ra;
void Replace() m_ra->Replace();
; 如果用这种方式，客户就需要知道这些算法的具体定义。只能以下面这种方式使用，可以看到暴露了太多的细节。
int main()
Cache cache(new LRU_ReplaceAlgorithm()); //暴露了算法的定义
cache.Replace();
return 0;
方式二：也是直接通过参数指定，只不过不是传入指针，而是一个标签。这样客户只要知道算法的相应标签即可，而不需要知道算法的具体定义。
//Cache需要用到替换算法
enum RA LRU, FIFO, RANDOM; //标签
class Cache
private:
ReplaceAlgorithm *m_ra;
public:
Cache(enum RA ra)
if(ra == LRU)
m_ra = new LRU_ReplaceAlgorithm();
else if(ra == FIFO)
m_ra = new FIFO_ReplaceAlgorithm();
else if(ra == RANDOM)
m_ra = new Random_ReplaceAlgorithm();
else
m_ra = NULL;
~Cache() delete m_ra;
void Replace() m_ra->Replace();
; 相比方式一，这种方式用起来方便多了。其实这种方式将简单工厂模式与策略模式结合在一起，算法的定义使用了策略模式，而Cache的定义其实使用了简单工厂模式。
int main()
Cache cache(LRU); //指定标签即可
cache.Replace();
return 0;
上面两种方式，构造函数都需要形参。构造函数是否可以不用参数呢？下面给出第三种实现方式。
方式三：利用模板实现。算法通过模板的实参指定。当然了，还是使用了参数，只不过不是构造函数的参数。在策略模式中，参数的传递难以避免，客户必须指定某种算法。
//Cache需要用到替换算法
template <class RA>
class Cache
private:
RA m_ra;
public:
Cache()
~Cache()
void Replace() m_ra.Replace();
; 使用方式如下：
int main()
Cache<Random_ReplaceAlgorithm> cache; //模板实参
cache.Replace();
return 0;
3.适配器模式
DP上的定义：适配器模式将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。它包括类适配器和对象适配器，本文针对的是对象适配器。举个例子，在STL中就用到了适配器模式。STL实现了一种数据结构，称为双端队列（deque），支持前后两段的插入与删除。STL实现栈和队列时，没有从头开始定义它们，而是直接使用双端队列实现的。这里双端队列就扮演了适配器的角色。队列用到了它的后端插入，前端删除。而栈用到了它的后端插入，后端删除。假设栈和队列都是一种顺序容器，有两种操作：压入和弹出。下面给出相应的UML图，与DP上的图差不多。
根据上面的UML图，很容易给出实现。
//双端队列
class Deque
public:
void push_back(int x) cout<<"Deque push_back"<<endl;
void push_front(int x) cout<<"Deque push_front"<<endl;
void pop_back() cout<<"Deque pop_back"<<endl;
void pop_front() cout<<"Deque pop_front"<<endl;
;
//顺序容器
class Sequence
public:
virtual void push(int x) = 0;
virtual void pop() = 0;
;
//栈
class Stack: public Sequence
public:
void push(int x) deque.push_back(x);
void pop() deque.pop_back();
private:
Deque deque; //双端队列
;
//队列
class Queue: public Sequence
public:
void push(int x) deque.push_back(x);
void pop() deque.pop_front();
private:
Deque deque; //双端队列
; 使用方式如下：
int main()
Sequence *s1 = new Stack();
Sequence *s2 = new Queue();
s1->push(1); s1->pop();
s2->push(1); s2->pop();
delete s1; delete s2;
return 0;
4.单例模式
单例的一般实现比较简单，下面是代码和UML图。由于构造函数是私有的，因此无法通过构造函数实例化，唯一的方法就是通过调用静态函数GetInstance。
UML图：
代码：
//Singleton.h
class Singleton
public:
static Singleton* GetInstance();
private:
Singleton()
static Singleton *singleton;
;
//Singleton.cpp
Singleton* Singleton::singleton = NULL;
Singleton* Singleton::GetInstance()
if(singleton == NULL)
singleton = new Singleton();
return singleton;
这里只有一个类，如何实现Singleton类的子类呢？也就说Singleton有很多子类，在一种应用中，只选择其中的一个。最容易就是在GetInstance函数中做判断，比如可以传递一个字符串，根据字符串的内容创建相应的子类实例。这也是DP书上的一种解法，书上给的代码不全。这里重新实现了一下，发现不是想象中的那么简单，最后实现的版本看上去很怪异。在VS2008下测试通过。
//Singleton.h
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
class Singleton
public:
static Singleton* GetInstance(const char* name);
virtual void Show()
protected: //必须为保护，如果是私有属性，子类无法访问父类的构造函数
Singleton()
private:
static Singleton *singleton; //唯一实例的指针
;
//Singleton.cpp
#include "Singleton.h"
#include "SingletonA.h"
#include "SingletonB.h"
Singleton* Singleton::singleton = NULL;
Singleton* Singleton::GetInstance(const char* name)
if(singleton == NULL)
if(strcmp(name, "SingletonA") == 0)
singleton = new SingletonA();
else if(strcmp(name,"SingletonB") == 0)
singleton = new SingletonB();
else
singleton = new Singleton();
return singleton;
//SingletonA.h
#pragma once
#include "Singleton.h"
class SingletonA: public Singleton
friend class Singleton; //必须为友元类，否则父类无法访问子类的构造函数
public:
void Show() cout<<"SingletonA"<<endl;
private: //为保护属性，这样外界无法通过构造函数进行实例化
SingletonA()
;
//SingletonB.h
#pragma once
#include "Singleton.h"
class SingletonB: public Singleton
friend class Singleton; //必须为友元类，否则父类无法访问子类的构造函数
public:
void Show() cout<<"SingletonB"<<endl;
private: //为保护属性，这样外界无法通过构造函数进行实例化
SingletonB()
; #include "Singleton.h"
int main()
Singleton *st = Singleton::GetInstance("SingletonA");
st->Show();
return 0;
上面代码有一个地方很诡异，父类为子类的友元，如果不是友元，函数GetInstance会报错，意思就是无法调用SingletonA和SIngletonB的构造函数。父类中调用子类的构造函数，我还是第一次碰到。当然了把SingletonA和SIngletonB的属性设为public，GetInstance函数就不会报错了，但是这样外界就可以定义这些类的对象，违反了单例模式。
看似奇怪，其实也容易解释。在父类中构建子类的对象，相当于是外界调用子类的构造函数，因此当子类构造函数的属性为私有或保护时，父类无法访问。为共有时，外界就可以访问子类的构造函数了，此时父类当然也能访问了。只不过为了保证单例模式，所以子类的构造函数不能为共有，但是又希望在父类中构造子类的对象，即需要调用子类的构造函数，这里没有办法才出此下策：将父类声明为子类的友元类。
5.原型模式、模板方法模式
DP书上的定义为：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。其中有一个词很重要，那就是拷贝。可以说，拷贝是原型模式的精髓所在。举个现实中的例子来介绍原型模式。找工作的时候，我们需要准备简历。假设没有打印设备，因此需手写简历，这些简历的内容都是一样的。这样有个缺陷，如果要修改简历中的某项，那么所有已写好的简历都要修改，工作量很大。随着科技的进步，出现了打印设备。我们只需手写一份，然后利用打印设备复印多份即可。如果要修改简历中的某项，那么修改原始的版本就可以了，然后再复印。原始的那份手写稿相当于是一个原型，有了它，就可以通过复印（拷贝）创造出更多的新简历。这就是原型模式的基本思想。下面给出原型模式的UML图，以刚才那个例子为实例。
原型模式实现的关键就是实现Clone函数，对于C++来说，其实就是拷贝构造函数，需实现深拷贝，下面给出一种实现。
//父类
class Resume
protected:
char *name;
public:
Resume()
virtual ~Resume()
virtual Resume* Clone() return NULL;
virtual void Set(char *n)
virtual void Show()
; class ResumeA : public Resume
public:
ResumeA(const char *str); //构造函数
ResumeA(const ResumeA &r); //拷贝构造函数
~ResumeA(); //析构函数
ResumeA* Clone(); //克隆，关键所在
void Show(); //显示内容
;
ResumeA::ResumeA(const char *str)
if(str == NULL)
name = new char[1];
name[0] = '\\0';
else
name = new char[strlen(str)+1];
strcpy(name, str);
ResumeA::~ResumeA() delete [] name;
ResumeA::ResumeA(const ResumeA &r)
name = new char[strlen(r.name)+1];
strcpy(name, r.name);
ResumeA* ResumeA::Clone()
return new ResumeA(*this);
void ResumeA::Show()
cout<<"ResumeA name : "<<name<<endl;
这里只给出了ResumeA的实现，ResumeB的实现类似。使用的方式如下：
int main()
Resume *r1 = new ResumeA("A");
Resume *r2 = new ResumeB("B");
Resume *r3 = r1->Clone();
Resume *r4 = r2->Clone();
r1->Show(); r2->Show();
//删除r1,r2
delete r1; delete r2;
r1 = r2 = NULL;
//深拷贝所以对r3,r4无影响
r3->Show(); r4->Show();
delete r3; delete r4;
r3 = r4 = NULL;
最近有个招聘会，可以带上简历去应聘了。但是，其中有一家公司不接受简历，而是给应聘者发了一张简历表，上面有基本信息、教育背景、工作经历等栏，让应聘者按照要求填写完整。每个人拿到这份表格后，就开始填写。如果用程序实现这个过程，该如何做呢？一种方案就是用模板方法模式：定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。我们的例子中，操作就是填写简历这一过程，我们可以在父类中定义操作的算法骨架，而具体的实现由子类完成。下面给出它的UML图。
其中FillResume() 定义了操作的骨架，依次调用子类实现的函数。相当于每个人填写简历的实际过程。接着给出相应的C++代码。
//简历
class Resume
protected: //保护成员
virtual void SetPersonalInfo()
virtual void SetEducation()
virtual void SetWorkExp()
public:
void FillResume()
SetPersonalInfo();
SetEducation();
SetWorkExp();
;
class ResumeA: public Resume
protected:
void SetPersonalInfo() cout<<"A's PersonalInfo"<<endl;
void SetEducation() cout<<"A's Education"<<endl;
void SetWorkExp() cout<<"A's Work Experience"<<endl;
;
class ResumeB: public Resume
protected:
void SetPersonalInfo() cout<<"B's PersonalInfo"<<endl;
void SetEducation() cout<<"B's Education"<<endl;
void SetWorkExp() cout<<"B's Work Experience"<<endl;
; 使用方式如下：
int main()
Resume *r1;
r1 = new ResumeA();
r1->FillResume();
delete r1;
r1 = new ResumeB();
r1->FillResume();
delete r1;
r1 = NULL;
return 0;
6.建造者模式
建造者模式的定义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（DP）。《大话设计模式》举了一个很好的例子——建造小人，一共需建造6个部分，头部、身体、左右手、左右脚。与工厂模式不同，建造者模式是在导向者的控制下一步一步构造产品的。建造小人就是在控制下一步步构造出来的。创建者模式可以能更精细的控制构建过程，从而能更精细的控制所得产品的内部结构。下面给出建造者模式的UML图，以建造小人为实例。
对于客户来说，只需知道导向者就可以了，通过导向者，客户就能构造复杂的对象，而不需要知道具体的构造过程。下面给出小人例子的代码实现。
class Builder
public:
virtual void BuildHead()
virtual void BuildBody()
virtual void BuildLeftArm()
virtual void BuildRightArm()
virtual void BuildLeftLeg()
virtual void BuildRightLeg()
;
//构造瘦人
class ThinBuilder : public Builder
public:
void BuildHead() cout<<"build thin body"<<endl;
void BuildBody() cout<<"build thin head"<<endl;
void BuildLeftArm() cout<<"build thin leftarm"<<endl;
void BuildRightArm() cout<<"build thin rightarm"<<endl;
void BuildLeftLeg() cout<<"build thin leftleg"<<endl;
void BuildRightLeg() cout<<"build thin rightleg"<<endl;
;
//构造胖人
class FatBuilder : public Builder
public:
void BuildHead() cout<<"build fat body"<<endl;
void BuildBody() cout<<"build fat head"<<endl;
void BuildLeftArm() cout<<"build fat leftarm"<<endl;
void BuildRightArm() cout<<"build fat rightarm"<<endl;
void BuildLeftLeg() cout<<"build fat leftleg"<<endl;
void BuildRightLeg() cout<<"build fat rightleg"<<endl;
;
//构造的指挥官
class Director
private:
Builder *m_pBuilder;
public:
Director(Builder *builder) m_pBuilder = builder;
void Create()
m_pBuilder->BuildHead();
m_pBuilder->BuildBody();
m_pBuilder->BuildLeftArm();
m_pBuilder->BuildRightArm();
m_pBuilder->BuildLeftLeg();
m_pBuilder->BuildRightLeg();
; 客户的使用方式：
int main() int main()
FatBuilder thin;
Director director(&thin);
director.Create();
return 0;
FatBuilder thin;
Director director(&thin);
director.Create();
return 0;
7.外观模式、组合模式
外观模式应该是用的很多的一种模式，特别是当一个系统很复杂时，系统提供给客户的是一个简单的对外接口，而把里面复杂的结构都封装了起来。客户只需使用这些简单接口就能使用这个系统，而不需要关注内部复杂的结构。DP一书的定义：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面， 外观模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。举个编译器的例子，假设编译一个程序需要经过四个步骤：词法分析、语法分析、中间代码生成、机器码生成。学过编译都知道，每一步都很复杂。对于编译器这个系统，就可以使用外观模式。可以定义一个高层接口，比如名为Compiler的类，里面有一个名为Run的函数。客户只需调用这个函数就可以编译程序，至于Run函数内部的具体操作，客户无需知道。下面给出UML图，以编译器为实例。
相应的代码实现为：
class Scanner
public:
void Scan() cout<<"词法分析"<<endl;
;
class Parser
public:
void Parse() cout<<"语法分析"<<endl;
;
class GenMidCode
public:
void GenCode() cout<<"产生中间代码"<<endl;
;
class GenMachineCode
public:
void GenCode() cout<<"产生机器码"<<endl;
;
//高层接口
class Compiler
public:
void Run()
Scanner scanner;
Parser parser;
GenMidCode genMidCode;
GenMachineCode genMacCode;
scanner.Scan();
parser.Parse();
genMidCode.GenCode();
genMacCode.GenCode();
; 客户使用方式：
int main()
Compiler compiler;
Console Compiler();
return 0;
这就是外观模式，它有几个特点（摘自DP一书），（1）它对客户屏蔽子系统组件，因而减少了客户处理的对象的数目并使得子系统使用起来更加方便。（2）它实现了子系统与客户之间的松耦合关系，而子系统内部的功能组件往往是紧耦合的。（3）如果应用需要，它并不限制它们使用子系统类。
结合上面编译器这个例子，进一步说明。对于（1），编译器类对客户屏蔽了子系统组件，客户只需处理编译器的对象就可以方便的使用子系统。对于（2），子系统的变化，不会影响到客户的使用，体现了子系统与客户的松耦合关系。对于（3），如果客户希望使用词法分析器，只需定义词法分析的类对象即可，并不受到限制。
外观模式在构建大型系统时非常有用。接下来介绍另一种模式，称为组合模式。感觉有点像外观模式，刚才我们实现外观模式时，在Compiler这个类中包含了多个类的对象，就像把这些类组合在了一起。组合模式是不是这个意思，有点相似，其实不然。
DP书上给出的定义：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。组合使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。注意两个字“树形”。这种树形结构在现实生活中随处可见，比如一个集团公司，它有一个母公司，下设很多家子公司。不管是母公司还是子公司，都有各自直属的财务部、人力资源部、销售部等。对于母公司来说，不论是子公司，还是直属的财务部、人力资源部，都是它的部门。整个公司的部门拓扑图就是一个树形结构。
下面给出组合模式的UML图。从图中可以看到，FinanceDepartment、HRDepartment两个类作为叶结点，因此没有定义添加函数。而ConcreteCompany类可以作为中间结点，所以可以有添加函数。那么怎么添加呢？这个类中定义了一个链表，用来放添加的元素。
相应的代码实现为：
class Company
public:
Company(string name) m_name = name;
virtual ~Company()
virtual void Add(Company *pCom)
virtual void Show(int depth)
protected:
string m_name;
;
//具体公司
class ConcreteCompany : public Company
public:
ConcreteCompany(string name): Company(name)
virtual ~ConcreteCompany()
void Add(Company *pCom) m_listCompany.push_back(pCom); //位于树的中间，可以增加子树
void Show(int depth)
for(int i = 0;i < depth; i++)
cout<<"-";
cout<<m_name<<endl;
list<Company *>::iterator iter=m_listCompany.begin();
for(; iter != m_listCompany.end(); iter++) //显示下层结点
(*iter)->Show(depth + 2);
private:
list<Company *> m_listCompany;
;
//具体的部门，财务部
class FinanceDepartment : public Company
public:
FinanceDepartment(string name):Company(name)
virtual ~FinanceDepartment()
virtual void Show(int depth) //只需显示，无限添加函数，因为已是叶结点
for(int i = 0; i < depth; i++)
cout<<"-";
cout<<m_name<<endl;
;
//具体的部门，人力资源部
class HRDepartment :public Company
public:
HRDepartment(string name):Company(name)
virtual ~HRDepartment()
virtual void Show(int depth) //只需显示，无限添加函数，因为已是叶结点
for(int i = 0; i < depth; i++)
cout<<"-";
cout<<m_name<<endl;
; 客户使用方式：
int main()
Company *root = new ConcreteCompany("总公司");
Company *leaf1=new FinanceDepartment("财务部");
Company *leaf2=new HRDepartment("人力资源部");
root->Add(leaf1);
root->Add(leaf2);
//分公司A
Company *mid1 = new ConcreteCompany("分公司A");
Company *leaf3=new FinanceDepartment("财务部");
Company *leaf4=new HRDepartment("人力资源部");
mid1->Add(leaf3);
mid1->Add(leaf4);
root->Add(mid1);
//分公司B
Company *mid2=new ConcreteCompany("分公司B");
FinanceDepartment *leaf5=new FinanceDepartment("财务部");
HRDepartment *leaf6=new HRDepartment("人力资源部");
mid2->Add(leaf5);
mid2->Add(leaf6);
root->Add(mid2);
root->Show(0);
delete leaf1; delete leaf2;
delete leaf3; delete leaf4;
delete leaf5; delete leaf6;
delete mid1; delete mid2;
delete root;
return 0;
上面的实现方式有缺点，就是内存的释放不好，需要客户自己动手，非常不方便。有待改进，比较好的做法是让ConcreteCompany类来释放。因为所有的指针都是存在ConcreteCompany类的链表中。C++的麻烦，没有垃圾回收机制。
8.代理模式
[DP]上的定义：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。有四种常用的情况：（1）远程代理，（2）虚代理，（3）保护代理，（4）智能引用。本文主要介绍虚代理和智能引用两种情况。
考虑一个可以在文档中嵌入图形对象的文档编辑器。有些图形对象的创建开销很大。但是打开文档必须很迅速，因此我们在打开文档时应避免一次性创建所有开销很大的对象。这里就可以运用代理模式，在打开文档时，并不打开图形对象，而是打开图形对象的代理以替代真实的图形。待到真正需要打开图形时，仍由代理负责打开。这是[DP]一书上的给的例子。下面给出代理模式的UML图。
简单实现如下：
class Image
public:
Image(string name): m_imageName(name)
virtual ~Image()
virtual void Show()
protected:
string m_imageName;
;
class BigImage: public Image
public:
BigImage(string name):Image(name)
~BigImage()
void Show() cout<<"Show big image : "<<m_imageName<<endl;
;
class BigImageProxy: public Image
private:
BigImage *m_bigImage;
public:
BigImageProxy(string name):Image(name),m_bigImage(0)
~BigImageProxy() delete m_bigImage;
void Show()
if(m_bigImage == NULL)
m_bigImage = new BigImage(m_imageName);
m_bigImage->Show();
; 客户调用：
int main()
Image *image = new BigImageProxy("proxy.jpg"); //代理
image->Show(); //需要时由代理负责打开
delete image;
return 0;
在这个例子属于虚代理的情况，下面给两个智能引用的例子。一个是C++中的auto_ptr，另一个是smart_ptr。自己实现了一下。先给出auto_ptr的代码实现：
template<class T>
class auto_ptr
public:
explicit auto_ptr(T *p = 0): pointee(p)
auto_ptr(auto_ptr<T>& rhs): pointee(rhs.release())
~auto_ptr() delete pointee;
auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<T>& rhs)
if (this != &rhs) reset(rhs.release());
return *this;
T& operator*() const return *pointee;
T* operator->() const return pointee;
T* get() const return pointee;
T* release()
T *oldPointee = pointee;
pointee = 0;
return oldPointee;
void reset(T *p = 0)
if (pointee != p)
delete pointee;
pointee = p;
private:
T *pointee;
; 阅读上面的代码，我们可以发现 auto_ptr 类就是一个代理，客户只需操作auto_prt的对象，而不需要与被代理的指针pointee打交道。auto_ptr 的好处在于为动态分配的对象提供异常安全。因为它用一个对象存储需要被自动释放的资源，然后依靠对象的析构函数来释放资源。这样客户就不需要关注资源的释放，由auto_ptr 对象自动完成。实现中的一个关键就是重载了解引用操作符和箭头操作符，从而使得auto_ptr的使用与真实指针类似。
我们知道C++中没有垃圾回收机制，可以通过智能指针来弥补，下面给出智能指针的一种实现，采用了引用计数的策略。
template <typename T>
class smart_ptr
public:
smart_ptr(T *p = 0): pointee(p), count(new size_t(1)) //初始的计数值为1
smart_ptr(const smart_ptr &rhs): pointee(rhs.pointee), count(rhs.count) ++*count; //拷贝构造函数，计数加1
~smart_ptr() decr_count(); //析构，计数减1，减到0时进行垃圾回收，即释放空间
smart_ptr& operator= (const smart_ptr& rhs) //重载赋值操作符
//给自身赋值也对，因为如果自身赋值，计数器先减1，再加1，并未发生改变
++*count;
decr_count();
pointee = rhs.pointee;
count = rhs.count;
return *this;
//重载箭头操作符和解引用操作符，未提供指针的检查
T *operator->() return pointee;
const T *operator->() const return pointee;
T &operator*() return *pointee;
const T &operator*() const return *pointee;
size_t get_refcount() return *count; //获得引用计数器值
private:
T *pointee; //实际指针，被代理
size_t *count; //引用计数器
void decr_count() //计数器减1
if(--*count == 0)
delete pointee;
delete count;
; 9.享元模式
举个围棋的例子，围棋的棋盘共有361格，即可放361个棋子。现在要实现一个围棋程序，该怎么办呢？首先要考虑的是棋子棋盘的实现，可以定义一个棋子的类，成员变量包括棋子的颜色、形状、位置等信息，另外再定义一个棋盘的类，成员变量中有个容器，用于存放棋子的对象。下面给出代码表示：
棋子的定义，当然棋子的属性除了颜色和位置，还有其他的，这里略去。这两个属性足以说明问题。
//棋子颜色
enum PieceColor BLACK, WHITE;
//棋子位置
struct PiecePos
int x;
int y;
PiecePos(int a, int b): x(a), y(b)
;
//棋子定义
class Piece
protected:
PieceColor m_color; //颜色
PiecePos m_pos; //位置
public:
Piece(PieceColor color, PiecePos pos): m_color(color), m_pos(pos)
~Piece()
virtual void Draw()
;
class BlackPiece: public Piece
public:
BlackPiece(PieceColor color, PiecePos pos): Piece(color, pos)
~BlackPiece()
void Draw() cout<<"绘制一颗黑棋"<<endl;
;
class WhitePiece: public Piece
public:
WhitePiece(PieceColor color, PiecePos pos): Piece(color, pos)
~WhitePiece()
void Draw() cout<<"绘制一颗白棋"<<endl;
; 棋盘的定义：
class PieceBoard
private:
vector<Piece*> m_vecPiece; //棋盘上已有的棋子
string m_blackName; //黑方名称
string m_whiteName; //白方名称
public:
PieceBoard(string black, string white): m_blackName(black), m_whiteName(white)
~PieceBoard() Clear();
void SetPiece(PieceColor color, PiecePos pos) //一步棋，在棋盘上放一颗棋子
Piece * piece = NULL;
if(color == BLACK) //黑方下的
piece = new BlackPiece(color, pos); //获取一颗黑棋
cout<<m_blackName<<"在位置("<<pos.x<<','<<pos.y<<")";
piece->Draw(); //在棋盘上绘制出棋子
else
piece = new WhitePiece(color, pos);
cout<<m_whiteName<<"在位置("<<pos.x<<','<<pos.y<<")";
piece->Draw();
m_vecPiece.push_back(piece); //加入容器中
void Clear() //释放内存
int size = m_vecPiece.size();
for(int i = 0; i < size; i++)
delete m_vecPiece[i];
; 客户的使用方式如下：
int main()
PieceBoard pieceBoard("A","B");
pieceBoard.SetPiece(BLACK, PiecePos(4, 4));
pieceBoard.SetPiece(WHITE, PiecePos(4, 16));
pieceBoard.SetPiece(BLACK, PiecePos(16, 4));
pieceBoard.SetPiece(WHITE, PiecePos(16, 16));
可以发现，棋盘的容器中存放了已下的棋子，而每个棋子包含棋子的所有属性。一盘棋往往需要含上百颗棋子，采用上面这种实现，占用的空间太大了。如何改进呢？用享元模式。其定义为：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
在围棋中，棋子就是大量细粒度的对象。其属性有内在的，比如颜色、形状等，也有外在的，比如在棋盘上的位置。内在的属性是可以共享的，区分在于外在属性。因此，可以这样设计，只需定义两个棋子的对象，一颗黑棋和一颗白棋，这两个对象含棋子的内在属性；棋子的外在属性，即在棋盘上的位置可以提取出来，存放在单独的容器中。相比之前的方案，现在容器中仅仅存放了位置属性，而原来则是棋子对象。显然，现在的方案大大减少了对于空间的需求。
关注PieceBoard 的容器，之前是vector<Piece*> m_vecPiece，现在是vector<PiecePos> m_vecPos。这里是关键。
棋子的新定义，只包含内在属性：
//棋子颜色
enum PieceColor BLACK, WHITE;
//棋子位置
struct PiecePos
int x;
int y;
PiecePos(int a, int b): x(a), y(b)
;
//棋子定义
class Piece
protected:
PieceColor m_color; //颜色
public:
Piece(PieceColor color): m_color(color)
~Piece()
virtual void Draw()
;
class BlackPiece: public Piece
public:
BlackPiece(PieceColor color): Piece(color)
~BlackPiece()
void Draw() cout<<"绘制一颗黑棋\\n";
;
class WhitePiece: public Piece
public:
WhitePiece(PieceColor color): Piece(color)
~WhitePiece()
void Draw() cout<<"绘制一颗白棋\\n";
; 相应棋盘的定义为：
class PieceBoard
private:
vector<PiecePos> m_vecPos; //存放棋子的位置
Piece *m_blackPiece; //黑棋棋子
Piece *m_whitePiece; //白棋棋子
string m_blackName;
string m_whiteName;
public:
PieceBoard(string black, string white): m_blackName(black), m_whiteName(white)
m_blackPiece = NULL;
m_whitePiece = NULL;
~PieceBoard() delete m_blackPiece; delete m_whitePiece;
void SetPiece(PieceColor color, PiecePos pos)
if(color == BLACK)
if(m_blackPiece == NULL) //只有一颗黑棋
m_blackPiece = new BlackPiece(color);
cout<<m_blackName<<"在位置("<<pos.x<<','<<pos.y<<")";
m_blackPiece->Draw();
else
if(m_whitePiece == NULL)
m_whitePiece = new WhitePiece(color);
cout<<m_whiteName<<"在位置("<<pos.x<<','<<pos.y<<")";
m_whitePiece->Draw();
m_vecPos.push_back(pos);
; 客户的使用方式一样，这里不重复给出，现在给出享元模式的UML图，以围棋为例。棋盘中含两个共享的对象，黑棋子和白棋子，所有棋子的外在属性都存放在单独的容器中。
10、桥接模式
[DP]书上定义：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。考虑装操作系统，有多种配置的计算机，同样也有多款操作系统。如何运用桥接模式呢？可以将操作系统和计算机分别抽象出来，让它们各自发展，减少它们的耦合度。当然了，两者之间有标准的接口。这样设计，不论是对于计算机，还是操作系统都是非常有利的。下面给出这种设计的UML图，其实就是桥接模式的UML图。
给出C++的一种实现：
//操作系统
class OS
public:
virtual void InstallOS_Imp()
;
class WindowOS: public OS
public:
void InstallOS_Imp() cout<<"安装Window操作系统"<<endl;
;
class LinuxOS: public OS
public:
void InstallOS_Imp() cout<<"安装Linux操作系统"<<endl;
;
class UnixOS: public OS
public:
void InstallOS_Imp() cout<<"安装Unix操作系统"<<endl;
;
//计算机
class Computer
public:
virtual void InstallOS(OS *os)
;
class DellComputer: public Computer
public:
void InstallOS(OS *os) os->InstallOS_Imp();
;
class AppleComputer: public Computer
public:
void InstallOS(OS *os) os->InstallOS_Imp();
;
class HPComputer: public Computer
public:
void InstallOS(OS *os) os->InstallOS_Imp();
; 客户使用方式：
int main()
OS *os1 = new WindowOS();
OS *os2 = new LinuxOS();
Computer *computer1 = new AppleComputer();
computer1->InstallOS(os1);
computer1->InstallOS(os2);
11.装饰模式
装饰模式：动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，装饰模式相比生成子类更为灵活。有时我们希望给某个对象而不是整个类添加一些功能。比如有一个手机，允许你为手机添加特性，比如增加挂件、屏幕贴膜等。一种灵活的设计方式是，将手机嵌入到另一对象中，由这个对象完成特性的添加，我们称这个嵌入的对象为装饰。这个装饰与它所装饰的组件接口一致，因此它对使用该组件的客户透明。下面给出装饰模式的UML图。
在这种设计中，手机的装饰功能被独立出来，可以单独发展，进而简化了具体手机类的设计。下面给出Phone类的实现：
//公共抽象类
class Phone
public:
Phone()
virtual ~Phone()
virtual void ShowDecorate()
; 具体的手机类的定义：
//具体的手机类
class iPhone : public Phone
private:
string m_name; //手机名称
public:
iPhone(string name): m_name(name)
~iPhone()
void ShowDecorate() cout<<m_name<<"的装饰"<<endl;
;
//具体的手机类
class NokiaPhone : public Phone
private:
string m_name;
public:
NokiaPhone(string name): m_name(name)
~NokiaPhone()
void ShowDecorate() cout<<m_name<<"的装饰"<<endl;
; 装饰类的实现：
//装饰类
class DecoratorPhone : public Phone
private:
Phone *m_phone; //要装饰的手机
public:
DecoratorPhone(Phone *phone): m_phone(phone)
virtual void ShowDecorate() m_phone->ShowDecorate();
;
//具体的装饰类
class DecoratorPhoneA : public DecoratorPhone
public:
DecoratorPhoneA(Phone *phone) : DecoratorPhone(phone)
void ShowDecorate() DecoratorPhone::ShowDecorate(); AddDecorate();
private:
void AddDecorate() cout<<"增加挂件"<<endl; //增加的装饰
;
//具体的装饰类
class DecoratorPhoneB : public DecoratorPhone
public:
DecoratorPhoneB(Phone *phone) : DecoratorPhone(phone)
void ShowDecorate() DecoratorPhone::ShowDecorate(); AddDecorate();
private:
void AddDecorate() cout<<"屏幕贴膜"<<endl; //增加的装饰
; 客户使用方式：
int main()
Phone *iphone = new NokiaPhone("6300");
Phone *dpa = new DecoratorPhoneA(iphone); //装饰，增加挂件
Phone *dpb = new DecoratorPhoneB(dpa); //装饰，屏幕贴膜
dpb->ShowDecorate();
delete dpa;
delete dpb;
delete iphone;
return 0;
装饰模式提供了更加灵活的向对象添加职责的方式。可以用添加和分离的方法，用装饰在运行时刻增加和删除职责。装饰模式提供了一种“即用即付”的方法来添加职责。它并不试图在一个复杂的可定制的类中支持所有可预见的特征，相反，你可以定义一个简单的类，并且用装饰类给它逐渐地添加功能。可以从简单的部件组合出复杂的功能
12.备忘录模式
备忘录模式：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。这样以后就可将该对象恢复到原先保存的状态[DP]。举个简单的例子，我们玩游戏时都会保存进度，所保存的进度以文件的形式存在。这样下次就可以继续玩，而不用从头开始。这里的进度其实就是游戏的内部状态，而这里的文件相当于是在游戏之外保存状态。这样，下次就可以从文件中读入保存的进度，从而恢复到原来的状态。这就是备忘录模式。
给出备忘录模式的UML图，以保存游戏的进度为例。
Memento类定义了内部的状态，而Caretake类是一个保存进度的管理者，GameRole类是游戏角色类。可以看到GameRole的对象依赖于Memento对象，而与Caretake对象无关。下面给出一个简单的是实现。
//需保存的信息
class Memento
public:
int m_vitality; //生命值
int m_attack; //进攻值
int m_defense; //防守值
public:
Memento(int vitality, int attack, int defense):
m_vitality(vitality),m_attack(attack),m_defense(defense)
Memento& operator=(const Memento &memento)
m_vitality = memento.m_vitality;
m_attack = memento.m_attack;
m_defense = memento.m_defense;
return *this;
;
//游戏角色
class GameRole
private:
int m_vitality;
int m_attack;
int m_defense;
public:
GameRole(): m_vitality(100),m_attack(100),m_defense(100)
Memento Save() //保存进度，只与Memento对象交互，并不牵涉到Caretake
Memento memento(m_vitality, m_attack, m_defense);
return memento;
void Load(Memento memento) //载入进度，只与Memento对象交互，并不牵涉到Caretake
m_vitality = memento.m_vitality;
m_attack = memento.m_attack;
m_defense = memento.m_defense;
void Show() cout<<"vitality : "<< m_vitality<<", attack : "<< m_attack<<", defense : "<< m_defense<<endl;
void Attack() m_vitality -= 10; m_attack -= 10; m_defense -= 10;
;
//保存的进度库
class Caretake
public:
Caretake()
void Save(Memento menento) m_vecMemento.push_back(menento);
Memento Load(int state) return m_vecMemento[state];
private:
vector<Memento> m_vecMemento;
; 客户使用方式：
//测试案例
int main()
Caretake caretake;
GameRole role;
role.Show(); //初始值
caretake.Save(role.Save()); //保存状态
role.Attack();
role.Show(); //进攻后
role.Load(caretake.Load(0)); //载入状态
role.Show(); //恢复到状态0
return 0;
13.中介者模式
中介者模式：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。中介者使各对象不需要显式地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。中介者模式的例子很多，大到联合国安理会，小到房屋中介，都扮演了中间者的角色，协调各方利益。
本文就以租房为例子，如果没有房屋中介，那么房客要自己找房东，而房东也要自己找房客，非常不方便。有了房屋中介机构就方便了，房东可以把要出租的房屋信息放到中介机构，而房客可以去中介机构咨询。在软件中，就是多个对象之间需要通信，如果没有中介，对象就需要知道其他对象，最坏情况下，可能需要知道所有其他对象，而有了中介对象就方便多了，对象只需与中介对象通信，而不用知道其他的对象。这就是中介者模式，下面以租房为例，给出中介者模式的UML图。
实现不难，下面给出C++的实现：
class Mediator;
//抽象人
class Person
protected:
Mediator *m_mediator; //中介
public:
virtual void SetMediator(Mediator *mediator) //设置中介
virtual void SendMessage(string message) //向中介发送信息
virtual void GetMessage(string message) //从中介获取信息
;
//抽象中介机构
class Mediator
public:
virtual void Send(string message, Person *person)
virtual void SetA(Person *A) //设置其中一方
virtual void SetB(Person *B)
;
//租房者
class Renter: public Person
public:
void SetMediator(Mediator *mediator) m_mediator = mediator;
void SendMessage(string message) m_mediator->Send(message, this);
void GetMessage(string message) cout<<"租房者收到信息"<<message;
;
//房东
class Landlord: public Person
public:
void SetMediator(Mediator *mediator) m_mediator = mediator;
void SendMessage(string message) m_mediator->Send(message, this);
void GetMessage(string message) cout<<"房东收到信息："<<message;
;
//房屋中介
class HouseMediator : public Mediator
private:
以上是关于C++各类设计模式及实现详解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章