软件设计模式 - 结构型模式

2017年6月6日

软件设计模式 - 结构型模式

结构型模式介绍类和对象的组装方式，同时保持较大的灵活性和高效性。

结构型模式包括：适配器，桥接，组合，装饰，外观，享元，代理。

适配器模式（Adapter）

适配器模式是为了解决不同接口之间的适配问题。

适配器通常分为两类：对象适配器，类适配器。

对象适配器

对象适配器是通过实现接口来做到适配的，如下：

Object Adapter

示例代码：

cpp

class DrawService {
    // 绘图服务
public:
    void paint(Graphics&) {
        // 使用Graphics绘图
    }
    Graphics& getCanvasGraphics(canvas&) {
        // 图形绘板转换
    }
};

class DrawInterface {
    // 绘图适配器接口
protected:
    void draw(canvas&) = 0;
};

class DrawAdapter : public DrawInterface {
    // 绘图适配器
protected:
    void draw(canvas& c) { // 接口适配
        auto g = service.getCanvasGraphics(c);
        service.paint(g);
    }
private:
    DrawService service;
};

类适配器

类适配器是通过面相对象编程的继承达到的，用于多继承方式实现。

如图所示：

Class Adapter

实例代码：

cpp

class DrawGraphics {
    // 图案绘制
public:
    void draw(Graphics&) {
        // 绘制函数
    }
};

class DrawService {
    // 绘制服务
protected:
    void paint(Graphics&) {
        // 绘制
    }
    Graphics& getCanvasGraphics(canvas&) {
        // 转换画板
    }
};

class DrawAdapter : public DrawGraphics, public DrawService {
    // 绘制适配器
public:
    void draw(canvas& c) {
        auto g = getCanvasGraphics(c);
        paint(g);
    }
};

桥接模式（Bridge）

桥接模式是将抽象和实现分为两个独立的层次，将原本不同维度的继承方式改成组合方式。

如下图所示：

Bridge

示例代码：

cpp

// 画笔风格

class Style {
public:
    void draw(Canvas&) = 0;
};

class Pencil : public Style {
public:
    void draw(Canvas&) {
        // TODO: 铅笔绘制实现
    }
};

class Brush : public Style {
public:
    void draw(Canvas&) {
        // TODO: 画刷绘制实现
    }
};

class Pastel : public Style {
public:
    void draw(Canvas&) {
        // TODO: 蜡笔绘制实现
    }
};

// 形状
class Square {
public:
    void drawWithPen(Style& pen) {
        pen.draw(this->getCanvas());
    }
};

class Circle {
public:
    void drawWithPen(Style& pen) {
        pen.draw(this->getCanvas());
    }
};

形状类只是抽象绘制层，可以绘制不同风格的图形，但是对于具体的绘制实现其实由不同风格的画笔来实现。

组合模式（Composite）

组合模式用于将对象组合成树状结构，通常这种模式的实现方式多见为“盒子”（Box）与“产品”（Item）的交互方式，盒子本身也是产品，盒子可以存放产品，从而产生递归嵌套的结构。

结构如下：

Composite

示例代码：

cpp

class Shape {
public:
    void draw() = 0;
protected:
    float x, y;
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() {
        // 绘制圆形
    }
private:
    float radius;
};

class Square : public Shape {
public:
    void draw() {
        // 绘制方块
    }
private:
    float width, height;
};

// 组合图形
class CompoundShape : public Shape {
public:
    void draw() {
        // 迭代绘制所有子图形
    }
private:
    std::vector<Shape> childs;
};

装饰模式（Decorator）

装饰器模式允许将对象放入包含某种行为的特殊对象，从而为原来的对象绑定特殊对象的新行为。

结构如下：

Decorator

cpp

class Shape {
public:
    virtual draw() = 0;
};

class Circle : public {
public:
    void draw() {
        // TODO: 绘制
    }
private:
    float radius;
};

// 装饰器
class BrushDecorator : public Shape {
public:
    BrushDecorator(Shape& s) {
        // TODO: 设置画刷风格
    }
    void draw() {
        // 绘制
        Shape::draw();
    }
};

class PastelDecorator : public Shape {
public:
    PastelDecorator(Shape& s) {
        // TODO: 设置蜡笔风格
    }
    void draw() {
        // 绘制
        Shape::draw();
    }
};

使用装饰器模式，如下：

cpp

Circle circle;

auto circleWithBrush = new BrushDecorator(circle);
auto circleWithPastel = new PastelDecorator(circle);
auto circleWithBrushPastel = new PastelDecorator(circleWithBrush); // 嵌套装饰

circleWithBrush.draw();
circleWithPastel.draw();
circleWithBrushPastel.draw();

外观模式（Facade）

外观模式是为了给库/框架设计一套简单的接口，这样对外减少细节暴露，从而减少系统的耦合度。

如下示例，设计了一种统一风格的徽章绘制模式：

Facade

示例代码：

cpp

class Shape {
public:
    void draw(Canvas&) = 0;
};

class CompoundShape : public Shape {
public:
    void addChild(Shape& c) {
        // 添加图形
    }
    void draw(Canvas&) {
        // 绘制图形
    }
private:
    std::vector<Shape> childs;
};

class Brush {
public:
    void setPen(Canvas&);
};

class Background {
public:
    void fill(Canvas&);
};

class Badget {
public:
    void drawBadget(Shape& s) {
        // 绘制徽章
        auto canvas = this->getCanvas();
        assert(canvas != nullptr);
        br.setPen(*canvas);
        bg.fill(*canvas);
        s.draw(*canvas);
    }
private:
    Brush br;
    Background bg;
    CompundShape cshape;
};

对于外部调用者来说，只需调用drawBadget()，将徽章复杂图形变量作为形式参数传入函数，即可完成各种徽章的绘制。

享元模式（Flyweight）

享元模式是通过共享对象状态，使得对象不必保存所有的状态，从而达到在内存中载入更多的对象。

常见应用场景是游戏制作场景，游戏中最常见的元素是粒子系统，每一个粒子都有自己的坐标，颜色，状态等信息，如果每一个粒子对象都存储所有的信息，那么在实际游戏场景中将会对内存需求巨大，几十万个粒子就会导致系统内存被用完，从而导致OOM，为了解决这个问题，可以从对象的类来分析，提取其中的常量和变量，对于常量使用共享对象存储。

如下：

Flyweight

示例代码：

cpp

class Background {};

class Color {};

class Flyweight {
public:
    void draw() {
        // 绘制粒子
    }
private:
    Background bg;
    Color cr;
};

class FlyweightFactory {
public:
    Flyweight* getFlyweight(state s) {
        auto f = cache.find(s);
        if (f != nullptr) return f;
        return new Flyweight();
    }
private:
    Cache cache;
};

享元模式使用前还需要进行初始化，以便将常量对象存储到享元工厂的cache中。

cpp

// 初始化享元工厂
auto particle1 = new Flyweight(1); // 静态粒子1
auto particle2 = new Flyweight(2); // 静态粒子2
// ...

FlyweightFactory::getInstance().addFlyweight(particle1);
FlyweightFactory::getInstance().addFlyweight(particle2);

auto particle = FlyweightFactory::getInstance().getFlyweight(-1); // 普通动态粒子

代理模式（Proxy）

代理模式提供对对象访问的占位，控制对原始对象的访问，可以做到在外界对对象请求操作前后添加额外处理。

还是以绘图案例为例，这里绘制的是图片，这些图片以tag为唯一名称存储在数据库中，每次绘制需要从数据库获取相应的图片，再进行绘制，但是，如果绘制的图形复杂，包含的图片较多的时候，绘制效率会很低，绘制界面就会出现绘制延迟的现象，根本原因是从数据库获取图片的累加时间太长了。所以解决这种问题，就要用到代理器的模式，如下：

Proxy

这里的代理器在获取到图片的时候，会对已经获取的图片做缓存，这样下次再次获取该图片，就可以立即返回该图片，从而大大减少绘制时间，使绘制效率变高。

案例代码：

cpp

class Image {
public:
    std::vector<std::string> listImages() = 0;
    std::vector<uint8_t> getImage(std::string&) = 0;
};

class DBImage : public Image {
public:
    std::vector<std::string> listImages() {
        auto result = db.findAll();
        // 数据库查询返回所有的图片的tag列表
    };
    std::vector<uint8_t> getImage(std::string&) {
        // 返回对应tag的图片数据
    };
private:
    DB db;
};

class CachedImage : public Image {
public:
    CachedImage(DBImage& dbi) {}
    std::vector<std::string> listImages() {
        auto result = cache.findAll(); // 缓存查找
        if (!result.empty()) {
            return result;
        }
        result = service.findAll(); // 原始服务查找
        cache.store(result);
        return result;
    };
    std::vector<uint8_t> getImage(std::string& tag) {
        auto img = cache.find(tag); // 缓存查找图片
        if (!img.empty()) {
            return img;
        }
        img = service.find(tag); // 原始服务获取图片
        cache.store(tag, img);
        return img;
    };
private:
    DBImage service;
    Cache cache;
};

实际使用时，直接调用代理器即可：

cpp

DBImage dbi("mongo://xxxx");
CachedImage ci(dbi);

auto result = ci.listImages();
auto image = ci.getImage(result[0]); // 第一个tag的图片

CacheImage

CacheImage中使用的Cache，根据实际应用场景，可以是中间件存储，例如：Memcached，redis等。

MVC模式（MVC）

MVC分别代表：Model-View-Controller，这种方式应用于程序的分层开发，减少数据，视图界面，和逻辑控制之间的耦合，使开发维护更加清晰。

这种模式在传统的MFC开发框架中广泛使用。下面演示一个富文本编辑器的MVC设计。

MVC

代码如下：

cpp

class Model {};

class View {};

class Controller {
public:
    void setView() = 0;
    void setModel() = 0;
};

class Document : public Model {
public:
    Document(Controller* ctrl) {
        this->ctrl = ctrl;
    }
private:
    Controller* ctrl;
};

class RichEditCtrl : public Controller {
public:
    void setView(View* v) {
        this->view = v;
    }
    void setModel(Model* m) {
        this->model = m;
    }
private:
    View* view;
    Model* model;
};

class RichEditView : public View {
public:
    View(Controller* ctrl) {
        this->ctrl = ctrl;
    }
private:
    Controller* ctrl;
};

构造MVC时如下：

cpp

RichEditCtrl ctrl;
RichEditView view(&ctrl);
Document doc(&ctrl);
ctrl.setView(&view);
ctrl.setModel(&doc);

// 视图的更新通知控制器
ctrl.notify();
// 控制器更新数据模型
doc.update();
// 模型更新完后刷新视图
view.refresh();

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