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「软件设计模式」装饰者模式（Decorator）

news 来源：原创 2025/5/17 7:12:07

深入解析装饰者模式：动态扩展功能的艺术（C++实现）

一、模式思想与应用场景

1.1 模式定义

装饰者模式（Decorator Pattern）是一种结构型设计模式，它通过将对象放入包含行为的特殊封装对象中，动态地为原始对象添加新功能，比继承更灵活。

1.2 核心优势

动态添加功能：运行时修改对象行为
避免类爆炸：替代多层次的继承结构
遵循开闭原则：扩展开放，修改关闭

1.3 典型应用场景

需要动态/透明地给对象添加职责
需要撤销已添加的功能
不适合使用子类扩展的情况
常见应用：
- GUI组件装饰
- 流处理（如Java I/O）
- 游戏角色装备系统
- 咖啡订单系统（本文示例）

二、模式结构与C++实现

2.1 UML类图解析

2.2 咖啡订单系统实现

基础组件接口

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
// 抽象组件
class Beverage {
public:
    virtual ~Beverage() = default;
    virtual std::string getDescription() const = 0;
    virtual double cost() const = 0;
};

// 具体组件：浓缩咖啡
class Espresso : public Beverage {
public:
    std::string getDescription() const override {
        return "Espresso";
    }

    double cost() const override {
        return 1.99;
    }
};

装饰器基类

#include "component.h"
// 抽象装饰器
class CondimentDecorator : public Beverage {
public:
    explicit CondimentDecorator(std::unique_ptr<Beverage> beverage) : beverage_(std::move(beverage)) {}

    std::string getDescription() const override {
        return beverage_->getDescription();
    }

    double cost() const override {
        return beverage_->cost();
    }

protected:
    std::unique_ptr<Beverage> beverage_;
};

具体装饰器实现

#include "decorator_abstract.h"

// 牛奶装饰器
class Milk : public CondimentDecorator {
public:
    using CondimentDecorator::CondimentDecorator;

    std::string getDescription() const override {
        return beverage_->getDescription() + ", Milk";
    }

    double cost() const override {
        return beverage_->cost() + 0.45;
    }
};

// 摩卡装饰器
class Mocha : public CondimentDecorator {
public:
    using CondimentDecorator::CondimentDecorator;

    std::string getDescription() const override {
        return beverage_->getDescription() + ", Mocha";
    }

    double cost() const override {
        return beverage_->cost() + 0.60;
    }
};

三、客户端使用示例

3.1 基础使用

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include "decorator_entity.h"

int main() {
    // 创建基础咖啡

    std::unique_ptr<Beverage> coffee = std::make_unique<Espresso>();

    // 第一次装饰：加牛奶
    coffee = std::make_unique<Milk>(std::move(coffee));

    // 第二次装饰：加摩卡
    coffee = std::make_unique<Mocha>(std::move(coffee));

    // 输出结果
    std::cout << "Order: " << coffee->getDescription() << "\n"
              << "Total Cost: $" << coffee->cost() << std::endl;

    return 0;
}

3.2 输出结果

Order: Espresso, Milk, Mocha
Total Cost: $3.04

四、模式深度解析

4.1 设计亮点

动态组合：通过嵌套装饰实现功能叠加
透明性：装饰器与组件接口一致
弹性扩展：新装饰器不影响现有代码
智能指针管理：自动内存管理

4.2 与传统继承对比

特性	继承方案	装饰者模式
扩展方式	编译时静态扩展	运行时动态组合
类数量	指数级增长（组合爆炸）	线性增长
功能叠加	固定组合	任意顺序组合
维护成本	修改基类影响所有子类	独立扩展互不影响

4.3 实现注意事项

接口一致性：装饰器必须完全实现组件接口
装饰顺序：不同装饰顺序可能影响最终结果
内存管理：
- 使用unique_ptr自动管理生命周期
- 禁止拷贝操作（示例中已隐式实现）
性能考量：多层嵌套可能影响性能

五、进阶实现技巧

5.1 装饰器撤销功能

// 移除装饰器类
template <typename T>
class RemovableDecorator : public CondimentDecorator {
public:
    using CondimentDecorator::CondimentDecorator;

    // 移除特定类型的装饰
    std::unique_ptr<Beverage> removeDecorator() {
        if (auto dec = dynamic_cast<T*>(beverage_.get())) {
            return std::move(dec->beverage_);
        }
        return std::move(beverage_);
    }

    std::string getDescription() const override {
        return beverage_->getDescription();
    }

    double cost() const override {
        return beverage_->cost();
    }
};

5.2 复合装饰器


// 复合装饰器 - 两倍装饰 将所选饮料配料翻倍
class DoubleDecorator : public CondimentDecorator {
public:
    using CondimentDecorator::CondimentDecorator;

    std::string getDescription() const override {
        return "'" + beverage_->getDescription() + "' x2";
    }

    double cost() const override {
        return beverage_->cost() * 2;
    }
};

5.3 调用方法

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include "decorator_entity.h"

int main() {
    // 创建基础咖啡

    std::unique_ptr<Beverage> coffee = std::make_unique<Espresso>();

    // 第一次装饰：加牛奶
    coffee = std::make_unique<Milk>(std::move(coffee));

    // 第二次装饰：加摩卡
    coffee = std::make_unique<Mocha>(std::move(coffee));

    // 输出结果
    std::cout << "Order: " << coffee->getDescription() << "\n"
              << "Total Cost: $" << coffee->cost() << std::endl;

    // 使用示例
    auto rmver = std::make_unique<RemovableDecorator<Mocha>>(std::move(coffee));

    coffee = rmver->removeDecorator();

    // 输出结果
    std::cout << "Order: " << coffee->getDescription() << "\n"
              << "Total Cost after remove Mocha: $" << coffee->cost() << std::endl;

    coffee = std::make_unique<DoubleDecorator>(std::move(coffee));
    std::cout << "Order: " << coffee->getDescription() << "\n"
              << "Total Cost after double order: $" << coffee->cost() << std::endl;

    return 0;
}

5.4 执行结果

Order: Espresso, Milk, Mocha // 初始点单
Total Cost: $3.04
Order: Espresso, Milk // 移除Mocha
Total Cost after remove Mocha: $2.44
Order: 'Espresso, Milk' x2 // 复合装饰器，double order
Total Cost after double order: $4.88