深入理解C++之策略模式

时间:2022-03-14 00:08:10

1  会飞的鸭子

  Duck 基类,包含两个成员函数 (swim, display);派生类 MallardDuck,RedheadDuck 和 RubberDuck,各自重写继承自基类的 display 成员函数

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class Duck {
public:
  void swim();
  virtual void display();
};
 
class MallardDuck : public Duck {
public:
  void display(); // adding virtual is OK but not necessary
};
 
class RedheadDuck ...

现在要求,为鸭子增加会飞的技能 -- fly,那么应该如何设计呢?

1.1  继承

考虑到并非所有的鸭子都会飞,可在 Duck 中加个普通虚函数 fly,则“会飞”的派生类继承 fly 的一个缺省实现,而“不会飞”的派生类重写 fly 的实现

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void Duck::fly() { std::cout << "I am flying !" << std::endl; }
 
void RubberDuck::fly() { std::cout << "I cannot fly !" << std::endl; }

1.2  接口

实际上,使用一般虚函数来实现多态并非良策,在前文 C++11 之 override 关键字中的 “1.2 一般虚函数” 已经有所解释,常用的代替方法是 “纯虚函数 + 缺省实现”,

即将 fly 在基类中声明为纯虚函数,同时写一个缺省实现

因为是纯虚函数,所以只有“接口”会被继承,而缺省的“实现”却不会被继承,是否调用基类里 fly 的缺省实现,则取决于派生类里重写的 fly 函数

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void MallardDuck::fly() { Duck::fly(); }
void RedheadDuck::fly() { Duck::fly(); }

1.3  设计模式

到目前为止,并没有使用设计模式,但问题看上去已经被解决了,实际上使用或不使用设计模式,取决于实际需求,也取决于开发者

<Design Patterns> 中,关于策略模式的适用情景,如下所示:

1)  many related classes differ only in their behavior

2)  you need different variants of an algorithm

3)  an algorithm uses data that clients shouldn't know about

4)  a class defines many behaviors, and these appear as multiple conditional statements in its operations

显然,鸭子的各个派生类属于 “related classes”,关键就在于“飞”这个行为,如果只是将“飞”的行为,简单划分为“会飞”和“不会飞”,则不使用设计模式完全可以

如果“飞行方式”,随着派生类的增多,至少会有几十种;或者视“飞行方式”为一种算法,以后还会不断改进;再或“飞行方式”作为封装算法,提供给第三方使用。

那么此时,设计模式的价值就体现出来了 -- 易复用,易扩展,易维护。

而第 4) 种适用情景,多见于重构之中 -- "Replace Type Code with State/Strategy"

2  设计原则

在引出策略模式之前,先来看面向对象的三个设计原则

1)  隔离变化:identify what varies and separate them from what stays the same

Duck 基类中, 很明显“飞行方式“是变化的,于是把 fly 择出来,和剩余不变的分隔开来

2)  编程到接口:program to an interface, not an implementation

分出 fly 之后,将其封装为一个接口,里面实现各种不同的“飞行方式” (一系列”算法“),添加或修改算法都在这个接口里面进行。“接口”对应于 C++ 便是抽象基类,

即将“飞行方式”封装为 FlyBehavior 类,该类中声明 fly 成员函数为纯虚函数

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class FlyBehavior {
public:
  virtual void fly() = 0;
};
 
class FlyWithWings : public FlyBehavior {
public:
  virtual void fly();
};
 
class FlyNoWay ...class FlyWithRocket ...

具体实现各种不同的算法 -- “飞行方式”,如下所示:

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void FlyWithWings::fly() { std::cout << "I am flying !" << std::endl; }
 
void FlyNoWay::fly() { std::cout << "I cannot fly !" << std::endl; }
 
void FlyWithRocket::fly() { std::cout << "I am flying with a rocket !" << std::endl; }

3)  复合 > 继承:favor composition (has-a) over inheritance (is-a)

<Effective C++> 条款 32 中提到,公有继承即是“is-a”,而条款 38 则提及 Composition (复合或组合) 的一个含义是 “has-a”。因此,可以在 Duck 基类中,

声明 FlyBehavior 类型的指针,如此,只需通过指针 _pfB 便可调用相应的”算法“ -- ”飞行方式“

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class Duck {
public
  ...
private:
  FlyBehavior* _pfB; // 或 std::shared_ptr<FlyBehavior> _pfB;
};

3  策略模式

3.1  内容

即便不懂设计模式,只有严格按照上面的三个设计原则,则最后的设计思路也会和策略模式类似,可能只是一些细微处的差别

下面来看策略模式的具体内容和结构图:

Defines a family of algorithms,  encapsulates each one,  and makes them interchangeable.  Strategy lets the algorithm vary independently

from clients that use it.

  深入理解C++之策略模式

Context 指向 Strategy (由指针实现);Context 通过 Strategy 接口,调用一系列算法;ConcreteStrategy 则实现了一系列具体的算法

3.2  智能指针

上例中,策略模式的“接口” 对应于抽象基类 FlyBehavior,“算法实现”分别对应派生类 FlyWithWings, FlyNoWay, FlyWithRocket,“引用”对应 _pfB 指针

为了简化内存管理,可以将 _pfB 声明为一个“智能指针”,同时在 Duck 类的构造函数中,初始化该“智能指针”

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Duck::Duck(std::shared_ptr<FlyBehavior> pflyBehavior) : _pfB(pflyBehavior) {}

直观上看, Duck 对应于 Context,但 Duck 基类并不直接通过 FlyBehavior 接口来调用各种“飞行方式” -- 即“算法”,实际是其派生类 MallardDuck,RedheadDuck 和RubberDuck,这样,就需要在各个派生类的构造函数中,初始化 _pfB

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MallardDuck::MallardDuck(std::shared_ptr<FlyBehavior> pflyBehavior) : Duck(pflyBehavior) {}

 然后,在 Duck 基类中,通过指针 _pfB, 实现了对 fly 的调用

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void Duck::performFly()
{
  _pfB->fly();
}

除了在构造函数中初始化 _pfB 外,还可在 Duck 类中,定义一个 setFlyBehavior 成员函数,动态的设置“飞行方式”

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void Duck::setFlyBehavior(std::shared_ptr<FlyBehavior> pflyBehavior)
{
  _pfB = pflyBehavior;
}

最后,main 函数如下:

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void main()
{
  shared_ptr<FlyBehavior> pfWings = make_shared<FlyWithWings>();
  shared_ptr<FlyBehavior> pfRocket = make_shared<FlyWithRocket>();
 
  // fly with wings
  shared_ptr<Duck> pDuck = make_shared<MallardDuck>(pfWings);
  pDuck->performFly();
 
  // fly with a rocket
  pDuck->setFlyBehavior(pfRocket);
  pDuck->performFly();
}

小结:

1)  面向对象的三个设计原则:隔离变化,编程到接口,复合 > 继承

2)  策略模式主要涉及的是“一系列算法“,熟悉其适用的四种情景

参考资料:

 <大话设计模式> 第二章

 <Head First Design Patterns> chapter 1

 <Effective C++> item 32, item 38

 <Design Paterns> Strategy

 <Refactoring> chapter 8

以上这篇深入理解C++之策略模式就是小编分享给大家的全部内容了,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持服务器之家。