什么是设计模式？
设计模式是针对软件设计中普遍存在、反复出现的各种问题，所提出的通用、可复用的解决方案。它并不是一个可以直接转化为代码的完整设计，而是一个模板，描述了如何在特定情境下解决一个问题。
可以把它们看作是资深软件『工程师』的经验结晶，是架构层面的“最佳实践”。
为什么在 C++ 中学习设计模式尤为重要？
C++ 是一门多范式（面向过程、面向对象、泛型编程、函数式）的强大语言，但其力量也带来了复杂性。设计模式在 C++ 中尤为重要，因为它：
- 管理复杂性：帮助你将庞大的系统分解为相互关联、易于管理的对象集合。
- 提高可维护性：通过定义清晰的接口和关系，使代码更易于理解和修改。
- 增强可扩展性：许多模式（如策略、装饰器）都是为了方便未来功能扩展而设计的。
- 促进代码复用：模式提供了一种标准的、经过验证的解决方案，可以在不同项目中复用。
- 弥补语言特性：C++没有垃圾回收、反射等高级特性，一些模式（如智能指针、工厂）可以优雅地解决资源管理和对象创建等问题。
设计模式的基石：面向对象设计原则
在深入学习具体模式之前，必须理解其背后的指导原则。这些原则是设计模式的“灵魂”。
- 开闭原则
- 核心思想：软件实体（类、模块、函数）应该对扩展开放，对修改关闭。
- 解释：当需要添加新功能时，应通过增加新代码来实现，而不是修改已有的、工作正常的代码。这通常通过抽象和多态来实现。
- 依赖倒置原则
- 核心思想：
- 高层模块不应依赖低层模块，二者都应依赖于抽象。
- 抽象不应依赖于细节，细节应依赖于抽象。
- 解释：在 C++ 中，“抽象”通常指包含纯虚函数的类（接口）。这极大地降低了模块间的耦合度。
- 单一职责原则
- 核心思想：一个类应该有且仅有一个引起它变化的原因。
- 解释：一个类只负责一项职责。如果它承担了过多职责，这些职责就会耦合在一起，一个职责的变更可能会削弱该类完成其他职责的能力。
- 接口隔离原则
- 核心思想：客户端不应该被强迫依赖于它们不使用的接口。
- 解释：多个专门的接口，胜过一个庞大臃肿的总接口。这避免了“胖接口”带来的不必要的编译依赖和实现负担。
- 里氏替换原则
- 核心思想：子类型必须能够替换掉它们的基类型，而程序的行为不变。
- 解释：这是继承关系的基石。确保在任何使用基类对象的地方，都可以透明地使用其子类的对象。
- 合成/聚合复用原则
- 核心思想：优先使用对象组合，而不是类继承来达到复用的目的。
- 解释：继承是“白箱复用”，破坏了封装性，耦合度高。组合是“黑箱复用”，只需调用对象的接口，耦合度低，更灵活。
- 迪米特法则
- 核心思想：一个对象应该对其他对象保持最少的了解。
- 解释：只与你的“直接朋友”通信。降低类间的耦合，使系统更易于模块化和维护。
设计模式的分类（GoF 23种经典模式）
经典的《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书将 23 种模式分为三大类：
1. 创建型模式
关注点：对象创建的机制。旨在以灵活、可复用的方式创建对象，将对象的创建与使用分离。
- 单例模式： 保证一个类仅有一个实例，并提供全局访问点。（C++中需注意线程安全和资源释放）。
- 工厂方法模式： 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。
- 抽象工厂模式： 提供一个接口，用于创建相关或依赖对象的家族，而不需要指定具体的类。
- 建造者模式： 将一个复杂对象的构建与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
- 原型模式： 用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这个原型来创建新的对象。
2. 结构型模式
关注点：如何组合类和对象以形成更大的结构。致力于设计一种方式，使得不同的类可以协同工作。
- 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。
- 装饰器模式： 动态地给一个对象添加一些额外的职责。就扩展功能而言，它比生成子类更为灵活。
- 代理模式： 为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
- 外观模式： 为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，它定义了一个高层接口，使得这一子系统更加容易使用。
- 桥接模式： 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。
- 组合模式： 将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。使得客户对单个对象和复合对象的使用具有一致性。
- 享元模式： 运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
3. 行为型模式
关注点：对象之间的职责分配和通信。它们不仅描述对象或类的模式，还描述它们之间的通信模式。
- 策略模式： 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。
- 观察者模式： 定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。
- 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。
- 迭代器模式： 提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不需暴露该对象的内部表示。
- 责任链模式： 使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。
- 命令模式： 将一个请求封装为一个对象，从而使你可用不同的请求对客户进行参数化。
- 状态模式： 允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。
- 访问者模式： 表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。它使你可以在不改变各元素的类的前提下定义作用于这些元素的新操作。
- 中介者模式： 用一个中介对象来封装一系列的对象交互。
- 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。
- 解释器模式： 给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。
C++ 中的特殊考量
在使用 C++ 实现设计模式时，有一些独特的语言特性需要特别注意：
- 资源管理： 广泛使用 RAII 和智能指针 来自动管理内存和其他资源，这使得许多模式的实现（如工厂、单例）更加安全和简洁。
- 模板与泛型编程： C++ 的模板可以实现一些模式的“编译时”版本，如策略模式和工厂模式，这通常能带来更好的性能。
- 多重继承： C++ 支持多重继承，这使得实现纯粹的“接口”（即只包含纯虚函数的类）成为可能，对于依赖倒置原则至关重要。
- 移动语义： 现代 C++ 的移动语义可以优化模式中对象的传递和返回，提升性能。
总结
C++ 设计模式理论是一套强大的工具箱🧰，它结合了面向对象的设计原则和 C++ 语言的特性，帮助你构建出灵活、健壮、可维护的软件架构。学习模式不仅仅是记住它们的结构，更重要的是理解其意图和适用场景，知道在什么情况下使用哪种模式，以及如何利用 C++ 的特性优雅地实现它。
