C++ 设计模式应用场景速览：简明需求导向指南目录 1. 引言 1.1 设计模式的实用价值 1.2 适用场景概述 2.

创建型模式 解决对象创建相关的问题，帮助你选择何时、如何以及以何种方式创建对象。
结构型模式 关注如何组合类和对象，确保它们可以协同工作，同时保持系统的灵活性和可扩展性。
行为型模式 主要处理对象间的职责分配和通信，确保系统的行为在各种情况下都能合理运作。

在接下来的章节中，我们将深入探讨每一种模式的具体应用场景，帮助你在实际开发中更好地选择和运用这些设计模式。

2. 创建型模式

2.1 单例模式：确保类只存在一个实例

应用场景

当系统中某个类只需要一个实例，并且所有调用方都需要共享这个实例时，使用单例模式是最合适的选择。例如，在配置管理、日志记录器、数据库连接池等场景中，单例模式可以确保全局唯一的实例，避免资源浪费和状态不一致。

2.2 工厂模式：动态创建对象

应用场景

当系统需要在运行时根据输入条件动态决定创建哪个类的实例时，工厂模式能够提供一种统一的接口来生成对象，而不需要直接实例化类。例如，在游戏开发中，不同类型的敌人可以通过工厂模式生成，避免在代码中大量使用 new 关键字，增强代码的可扩展性。

2.3 抽象工厂模式：创建一系列相关或依赖对象

应用场景

当系统需要创建一组相关或依赖的对象，并且不需要指定具体类时，抽象工厂模式能够提供一个接口来生成相关对象。例如，在跨平台 GUI 开发中，抽象工厂模式可以根据不同的操作系统创建相应的窗口、按钮、文本框等界面组件，保持代码的一致性。

2.4 建造者模式：逐步构建复杂对象

应用场景

当对象的创建过程复杂且涉及多个步骤或多个部件时，建造者模式可以帮助你逐步创建对象，同时允许在不同步骤间进行调整。例如，在构建一个复杂的报告生成系统时，建造者模式可以按照数据收集、数据处理、页面布局等步骤逐步生成最终的报告，确保每个步骤都可以灵活调整。

2.5 原型模式：复制已有对象

应用场景

当系统需要快速创建对象的副本，且这些对象的创建成本较高时，原型模式是一个理想的选择。通过复制一个现有对象，你可以避免重新初始化对象的高成本。例如，在图形编辑软件中，复制一个复杂的图形对象可以使用原型模式，从而加快操作响应时间。

3. 结构型模式

3.1 适配器模式：接口兼容

应用场景

当你需要将一个类的接口转换成另一个客户端期望的接口时，适配器模式是一个不错的选择。它通常用于让不兼容的接口能够一起工作。例如，在开发一个新系统时，可能需要使用一些已有的类库，这些类库的接口可能与新系统不匹配，这时可以通过适配器模式进行接口转换。

3.2 桥接模式：解耦抽象和实现

应用场景

当你希望解耦一个抽象和它的实现部分，使它们可以独立地变化时，桥接模式是非常有用的。它适用于系统可能需要在抽象层次和实现层次都进行扩展的场景。例如，在图形界面开发中，你可能有不同的绘图接口和不同的显示设备，桥接模式可以将两者分开，使它们各自演变。

3.3 组合模式：统一处理对象和组合

应用场景

当你需要统一处理单个对象和对象组合时，组合模式可以帮助你实现这一点。它常用于表示部分-整体的层次结构。例如，在文件系统中，文件和文件夹都可以看作是“文件节点”，你可以使用组合模式来统一操作它们，比如计算文件夹的总大小或删除整个文件夹。

3.4 装饰模式：动态扩展对象功能

应用场景

当你需要在不修改原始类的情况下动态地为对象添加新的功能时，装饰模式非常适合。它可以用于在运行时为对象增加职责。例如，在图形界面设计中，可以通过装饰模式为一个基本窗口对象动态添加边框、滚动条等功能。

3.5 外观模式：简化复杂系统接口

应用场景

当你希望为一个复杂系统提供一个简单的接口时，外观模式是理想的选择。它可以将系统中的复杂子系统封装为一个统一的接口。例如，在多层架构的企业应用中，外观模式可以将底层的多个服务调用封装为一个简化的接口供上层调用，从而降低系统的耦合度。

3.6 享元模式：共享对象状态

应用场景

当系统中存在大量相似对象，而你希望通过共享减少内存开销时，享元模式能够发挥作用。它适用于大量细粒度对象共享相同状态的场景。例如，在文字处理系统中，每个字符的字体、大小、颜色等可以作为享元共享，从而节省内存。

3.7 代理模式：控制对象访问

应用场景

当你需要为一个对象提供控制访问的方式时，代理模式是一个不错的选择。它可以用于在访问对象之前添加一些额外的操作，例如权限控制、延迟加载等。例如，在远程服务调用中，代理模式可以在本地创建一个代理对象，在需要时才进行实际的远程调用，从而提高性能和控制访问。

4. 行为型模式

4.1 责任链模式：按顺序处理请求

应用场景

当你有多个对象可以处理某个请求，但不希望明确指定处理者时，责任链模式非常有用。它可以将多个处理者按照链式结构组织起来，让请求依次传递，直到某个处理者处理它。例如，在审批流程系统中，多个级别的管理人员可以依次审批请求，直到请求被批准或拒绝。

4.2 命令模式：请求封装为对象

应用场景

当你需要将操作请求封装为对象，以便于在不同时间执行、撤销或重做时，命令模式是理想的选择。它适用于需要记录操作历史或队列执行的场景。例如，在事务处理系统中，可以将每个操作封装为命令对象，以便在事务回滚时撤销这些操作。

4.3 解释器模式：解释语言表达式

应用场景

当你需要解析和执行特定语言的表达式时，解释器模式可以提供帮助。它通常用于开发小型语言或为现有语言添加解释能力。例如，在数学表达式计算器中，可以使用解释器模式来解析并计算输入的表达式。

4.4 迭代器模式：顺序访问集合元素

应用场景

当你需要遍历一个集合对象的元素，而不暴露其内部表示时，迭代器模式是一个合适的选择。它允许你在不同类型的集合上使用统一的遍历方式。例如，在数据处理系统中，你可以使用迭代器模式遍历不同类型的集合（如数组、链表），而无需知道它们的内部结构。

4.5 中介者模式：集中控制对象交互

应用场景

当系统中多个对象之间存在复杂的交互关系，并且你希望将这些交互关系集中管理时，中介者模式非常有效。它可以减少对象之间的直接依赖，从而使系统更易于维护和扩展。例如，在飞机调度系统中，中介者模式可以用来管理不同飞机之间的通信，避免直接相互依赖。

4.6 备忘录模式：保存和恢复对象状态

应用场景

当你需要保存对象的某个状态，以便在需要时恢复它时，备忘录模式可以帮助你实现这一点。它常用于需要撤销操作或回滚到之前状态的场景。例如，在文字处理软件中，备忘录模式可以用来保存文档的不同版本，以便在用户后悔时恢复到之前的版本。

4.7 观察者模式：对象间联动更新

应用场景

当一个对象的状态变化需要通知其他对象，并且你希望保持对象之间的松耦合时，观察者模式是理想的选择。它适用于一个对象的状态需要动态更新多个依赖对象的场景。例如，在实时股票行情系统中，当股票价格变化时，系统需要通知所有关注该股票的用户，观察者模式可以轻松实现这种需求。

4.8 状态模式：对象行为随状态改变

应用场景

当对象的行为取决于其内部状态，并且你需要在运行时改变对象的行为时，状态模式非常合适。它允许你将状态相关的行为封装到不同的状态对象中，从而简化状态切换的管理。例如，在订单处理系统中，订单可以处于不同状态（如“新建”、“已支付”、“已发货”），每个状态下订单的行为可能不同，状态模式可以帮助你有效管理这些状态及其行为。

4.9 策略模式：可替换的算法策略

应用场景

当你需要在运行时选择不同的算法或策略来完成某个任务时，策略模式是一个很好的选择。它允许你将算法封装成独立的策略类，以便在需要时更换算法。例如，在支付系统中，不同支付方式（如信用卡、PayPal、银行转账）可以被封装为不同的策略，用户选择不同支付方式时系统会调用相应的策略。

4.10 模板方法模式：定义算法框架

应用场景

当你有一个算法的框架或步骤是固定的，但某些步骤可以由子类实现或定制时，模板方法模式是非常有用的。它允许你在基类中定义算法的通用部分，并将可变部分留给子类实现。例如，在数据分析系统中，你可以定义一个通用的数据处理流程（如数据导入、预处理、分析、导出），并允许子类根据不同的数据源或分析方法定制具体步骤。

4.11 访问者模式：操作元素数据

应用场景

当你需要对一个对象结构中的各个元素进行不同操作，但又不希望改变元素类时，访问者模式可以帮助你实现这一点。它适用于数据结构稳定，但操作变化频繁的场景。例如，在编译器开发中，访问者模式可以用来对语法树的各个节点执行不同的操作，如类型检查、代码生成等。

5. 总结与选择

5.1 模式选择依据

在实际开发中，选择合适的设计模式并非一件简单的事情。为了帮助开发者更有效地选择合适的设计模式，本节将通过对比表格总结各类模式的适用场景和选择依据。

5.2 最佳实践建议

以下是基于不同开发需求和场景的设计模式选择建议：

模式类别	模式名称	适用场景	选择依据
创建型模式	单例模式	需要确保全局只有一个实例，避免资源浪费	适用于配置管理、日志记录器、数据库连接池等场景
创建型模式	工厂模式	需要根据运行时条件动态生成对象	适用于多类型对象的动态创建，如游戏中的敌人生成
创建型模式	抽象工厂模式	需要创建一系列相关或依赖对象，且不指定具体类	适用于跨平台开发，如操作系统相关的GUI组件创建
创建型模式	建造者模式	需要逐步创建复杂对象，允许在创建过程中进行调整	适用于复杂对象的逐步构建，如报告生成、复杂数据结构
创建型模式	原型模式	需要快速创建对象副本，避免高成本的初始化	适用于高成本对象的复制，如图形编辑中的对象复制
结构型模式	适配器模式	需要将一个类的接口转换成客户端期望的接口	适用于接口不兼容的类之间的协作，如使用现有类库
结构型模式	桥接模式	需要解耦抽象和实现部分，使其独立变化	适用于抽象和实现需要独立扩展的场景，如图形界面开发
结构型模式	组合模式	需要统一处理单个对象和对象组合	适用于部分-整体的层次结构，如文件系统
结构型模式	装饰模式	需要动态地为对象添加功能，而不修改其类	适用于运行时动态扩展对象功能，如窗口装饰
结构型模式	外观模式	需要为复杂系统提供一个简单的接口	适用于多子系统协作的复杂系统，如多层架构应用
结构型模式	享元模式	需要共享对象状态以减少内存开销	适用于大量相似对象共享状态，如文字处理系统
结构型模式	代理模式	需要控制对象的访问方式	适用于远程代理、虚拟代理等，如远程服务调用
行为型模式	责任链模式	需要将请求按顺序传递给多个处理者	适用于多个处理者处理请求的场景，如审批流程系统
行为型模式	命令模式	需要将操作请求封装为对象，以便于执行、撤销或重做	适用于记录操作历史、队列执行的场景，如事务处理系统
行为型模式	解释器模式	需要解析和执行特定语言的表达式	适用于自定义语言解释器或表达式计算器
行为型模式	迭代器模式	需要遍历集合对象，而不暴露其内部表示	适用于需要统一遍历不同类型集合的场景
行为型模式	中介者模式	需要集中管理对象间的复杂交互	适用于多对象间交互复杂的系统，如飞机调度系统
行为型模式	备忘录模式	需要保存和恢复对象的某个状态	适用于需要撤销操作或回滚状态的场景，如文档编辑器
行为型模式	观察者模式	需要在对象状态变化时通知其他对象	适用于一个对象状态影响多个对象的场景，如股票行情系统
行为型模式	状态模式	需要根据对象的内部状态改变其行为	适用于对象行为依赖于状态的场景，如订单处理系统
行为型模式	策略模式	需要在运行时选择不同的算法或策略	适用于需要动态选择算法的场景，如支付系统
行为型模式	模板方法模式	需要在算法框架固定的前提下定制某些步骤	适用于算法框架固定但部分步骤可变的场景，如数据处理流程
行为型模式	访问者模式	需要在不改变元素类的情况下对其进行不同操作	适用于数据结构稳定但操作变化频繁的场景，如编译器开发

通过本章的总结，开发者可以根据具体的需求场景快速定位合适的设计模式，结合实际应用进行最佳实践。这份表格可以作为设计模式选择的参考指南，帮助你在项目中做出更明智的设计决策。