C++设计模式：完整指南与示例

C++设计模式简介

设计模式（design patterns）是经过时间验证的架构解决方案，用于解决典型的开发任务。在C++世界中，它们尤为重要，因为它们能够创建灵活、可扩展且易于维护的代码。在本文中，我们将分析四种基本模式：Singleton、Factory Method、Observer和Strategy，并提供现代C++（C++17/20）的完整示例。

每种模式都将附带实际示例、类图和应用说明。本材料面向已经熟悉C++和OOP基础的开发者。

1. 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，经典实现使用静态方法和私有构造函数。

何时使用

• 管理数据库连接
• 日志系统
• 缓存管理器
• 应用程序配置

实现示例（线程安全的Singleton）

#include <iostream>#include <mutex>#include <memory>

class Logger {private:    static std::unique_ptr<Logger> instance;    static std::mutex mtx;        Logger() {        std::cout << "Logger создан" << std::endl;    }    public:    Logger(const Logger&) = delete;    Logger& operator=(const Logger&) = delete;        static Logger* getInstance() {        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);        if (!instance) {            instance.reset(new Logger());        }        return instance.get();    }        void log(const std::string& msg) {        std::cout << "[LOG] " << msg << std::endl;    }};

std::unique_ptr<Logger> Logger::instance = nullptr;std::mutex Logger::mtx;

int main() {    Logger* log1 = Logger::getInstance();    Logger* log2 = Logger::getInstance();        log1->log("Тестовое сообщение");        // log1和log2指向同一个对象    std::cout << "log1 == log2: " << (log1 == log2) << std::endl;    return 0;}

现代C++方法（Meyers' Singleton）

class ConfigManager {public:    static ConfigManager& getInstance() {        static ConfigManager instance;  // C++11+中线程安全        return instance;    }        void setParam(const std::string& key, const std::string& value) {        params[key] = value;    }        std::string getParam(const std::string& key) {        return params[key];    }    private:    ConfigManager() = default;    std::map<std::string, std::string> params;};

2. 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，但允许子类选择要创建的具体类。当对象类型事先未知时，此模式特别有用。

模式结构

• Product — 抽象产品类
• ConcreteProduct — 具体产品实现
• Creator — 带有工厂方法的抽象创建者类
• ConcreteCreator — 重写工厂方法

示例：通知系统

#include <iostream>#include <memory>#include <string>

// 抽象产品class Notification {public:    virtual void send(const std::string& message) = 0;    virtual ~Notification() = default;};

// 具体产品class EmailNotification : public Notification {public:    void send(const std::str