C++ 设计模式：高级技术与示例

C++ 高级设计模式：从理论到复杂实现

设计模式是软件开发中常见问题的经过验证的解决方案。如果基础模式（Singleton、Factory、Observer）每位开发者都熟悉，那么高级技术则需要深入理解 C++ 语言、其模板、多重继承和元编程。在本文中，我们将解析四种强大的模式：Visitor、Strategy、State 和 CRTP——并附有真实代码示例以及何时使用它们的说明。

1. Visitor 模式——无需修改类即可扩展功能

Visitor 模式允许在不修改类本身的情况下向类层次结构添加新操作。当您拥有稳定的对象结构但处理算法经常变化时，这尤其有用。

示例：处理几何图形

#include <iostream>\n#include <vector>\n#include <memory>\n\n// 前向声明\nclass Circle;\nclass Rectangle;\n\n// 抽象访问者\nclass Visitor {\npublic:\n    virtual void visit(Circle& circle) = 0;\n    virtual void visit(Rectangle& rectangle) = 0;\n    virtual ~Visitor() = default;\n};\n\n// 抽象元素\nclass Shape {\npublic:\n    virtual void accept(Visitor& visitor) = 0;\n    virtual ~Shape() = default;\n};\n\n// 具体元素\nclass Circle : public Shape {\npublic:\n    double radius;\n    explicit Circle(double r) : radius(r) {}\n    void accept(Visitor& visitor) override {\n        visitor.visit(*this);\n    }\n};\n\nclass Rectangle : public Shape {\npublic:\n    double width, height;\n    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}\n    void accept(Visitor& visitor) override {\n        visitor.visit(*this);\n    }\n};\n\n// 具体访问者——计算面积\nclass AreaVisitor : public Visitor {\npublic:\n    double totalArea = 0.0;\n    void visit(Circle& circle) override {\n        totalArea += 3.14159 * circle.radius * circle.radius;\n    }\n    void visit(Rectangle& rectangle) override {\n        totalArea += rectangle.width * rectangle.height;\n    }\n};\n\nint main() {\n    std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes;\n    shapes.push_back(std::make_unique<Circle>(5.0));\n    shapes.push_back(std::make_unique<Rectangle>(4.0, 6.0));\n\n    AreaVisitor areaCalc;\n    for (auto& shape : shapes) {\n        shape->accept(areaCalc);\n    }\n    std::cout << "Total area: " << areaCalc.totalArea << std::endl;\n    return 0;\n}\n

何时使用：当需要对复杂层次结构中的对象执行不同操作而不修改其代码时。缺点——添加新类型需要修改所有访问者。

2. Strategy 模式——灵活地动态切换算法

Strategy 封装了一组可互换的算法，并允许在运行时替换它们。在 C++ 中，这通常通过 std::function 或虚类来实现。

示例：数据排序系统

#include <iostream>\n#include <vector>\n#include <algorithm>\n#include <memory>\n#include <functional>\n\n// 使用策略的上下文\nclass Sorter {\nprivate:\n    std::function<void(std::vector<int>&)> strategy_;\npublic:\n    explicit Sorter(std::function<void(std::vector<int>&)> strategy)\n        : strategy_(std::move(strategy)) {}\n\n    void setStrategy(std::function<void(std::vector<int>&)> newStrategy) {\n        strategy_ = std::move(newStrategy);\n    }\n\n    void sort(std::vector<int>& data) {\n        if (strategy_) {\n            strategy_(data);\n        }\n    }\n};\n\n// 具体策略\nvoid bubbleSort(std::vector<int>& da