C++设计模式详解：完整解析与示例

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引言：为什么在 C++ 中需要设计模式

设计模式（design patterns）是软件开发中常见问题的经过验证的解决方案。在 C++ 中，凭借其强大的类型系统、RAII 和多继承，设计模式获得了特别的灵活性。它们有助于使代码更加可读、可维护和可扩展。

在本文中，我们将介绍 GoF（Gang of Four）目录中的 4 个关键模式：Singleton、Factory Method、Observer 和 Strategy。每个模式都将通过 C++17/20 的实际代码示例进行说明。

创建型模式：Singleton（单例）

Singleton 确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在 C++ 中，现代方法使用局部静态变量（自 C++11 起线程安全）。

示例：应用程序日志记录器

class Logger {public:    // 删除拷贝和赋值    Logger(const Logger&) = delete;    Logger& operator=(const Logger&) = delete;

    static Logger& getInstance() {        static Logger instance;  // 自 C++11 起线程安全        return instance;    }

    void log(const std::string& message) {        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);        std::cout << "[LOG] " << message << std::endl;    }

private:    Logger() = default;  // 私有构造函数    ~Logger() = default;    std::mutex m_mutex;};

// 使用int main() {    Logger::getInstance().log("应用程序已启动");    Logger::getInstance().log("错误：文件未找到");    return 0;}

优点： 唯一性保证、懒加载、线程安全。
缺点： 使测试复杂化（全局状态）、违反单一职责原则。

创建型模式：Factory Method（工厂方法）

Factory Method 定义了一个创建对象的接口，但允许子类决定实例化哪个类。在 C++ 中，通常通过虚函数和智能指针实现。

示例：生成不同类型的文档

// 抽象产品class Document {public:    virtual void open() = 0;    virtual void save() = 0;    virtual ~Document() = default;};

// 具体产品class PDFDocument : public Document {public:    void open() override { std::cout << "已打开 PDF"; }    void save() override { std::cout << "已保存 PDF"; }};

class WordDocument : public Document {public:    void open() override { std::cout << "已打开 Word"; }    void save() override { std::cout << "已保存 Word"; }};

// 创建者（Creator）class Application {public:    virtual std::unique_ptr<Document> createDocument() = 0;    virtual ~Application() = default;

    void newDocument() {        auto doc = createDocument();        doc->open();        // 处理文档    }};

// 具体创建者class PDFApplication : public Application {public:    std::unique_ptr<Document> createDocument() override {        return std::make_unique<PDFDocument>();    }};

class WordApplication : public Application {public:    std::unique_ptr<Document> createDocument() override {        return std::make_unique<WordDocument>();    }};

// 使用int main() {    std::unique_ptr<Application> app = std::make_unique<PDFApplication>();    app->newDocument();  // 输出："已打开 PDF"    return 0;}

当预先不知道要创建的对象的精确类型时，此模式是理想的选择。