C++设计模式（GOF-23）——04 C++装饰器模式（Decorator）（一个类同时继承和组合另一个类）解决类爆炸问题、模板装饰器

在 C++ 中，当一个类 同时继承和组合另一个类时，这种设计模式通常被称为 装饰器模式（Decorator Pattern）。以下是详细解释：

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1. 装饰器模式的核心思想

装饰器模式是一种结构型设计模式，其核心目的是通过组合和继承的方式，动态地为对象添加职责，而不通过继承硬编码的方式来扩展功能。

• 继承：装饰器类（Decorator）继承自目标类（Component）的接口或抽象类。
• 组合：装饰器类内部组合一个目标类的对象（通常是通过构造函数传入），从而在运行时动态地扩展功能。

这种设计模式允许你在不修改原有类代码的情况下，通过组合的方式灵活地扩展功能，同时避免了继承可能导致的类爆炸问题。

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2. 装饰器模式的结构

装饰器模式的典型结构如下：

// 抽象组件接口，定义核心操作
class Component {
public:virtual void Operation() = 0;  // 纯虚函数，强制子类实现virtual ~Component() {}        // 虚析构函数确保安全释放资源
};// 具体组件类，实现核心功能
class ConcreteComponent : public Component {
public:void Operation() override {std::cout << "ConcreteComponent Operation" << std::endl;}
};// 抽象装饰器类，继承自组件接口并组合组件对象
class Decorator : public Component {
protected:Component* component_;  // 持有组件对象指针
public:// 通过构造函数注入组件对象Decorator(Component* component) : component_(component) {}void Operation() override {component_->Operation();  // 默认调用被装饰对象的操作}
};// 具体装饰器A，扩展新功能
class ConcreteDecoratorA : public Decorator {
private:std::string addedState_;  // 新增状态字段
public:// 通过构造函数注入组件对象ConcreteDecoratorA(Component* component) : Decorator(component) {}void Operation() override {// 调用父类（装饰器基类）的OperationDecorator::Operation();// 添加新功能std::cout << "ConcreteDecoratorA added functionality" << std::endl;}
};// 具体装饰器B，扩展新功能
class ConcreteDecoratorB : public Decorator {
private:std::string addedBehavior_;  // 新增行为字段
public:ConcreteDecoratorB(Component* component) : Decorator(component) {}void Operation() override {// 调用父类（装饰器基类）的OperationDecorator::Operation();// 添加新功能std::cout << "ConcreteDecoratorB added functionality" << std::endl;}
};

关键点：

• 继承：Decorator 类继承自 Component，从而能够替代 Component 的使用。
• 组合：Decorator 类内部组合一个 Component 对象（通过构造函数传入），并在其方法中调用该对象的方法。
• 动态扩展：通过嵌套多个装饰器（如 ConcreteDecoratorA 和 ConcreteDecoratorB），可以在运行时动态地添加功能。

类图关系说明

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3. 装饰器模式的适用场景

• 需要动态、透明地给对象添加职责，而不是通过继承硬编码。
• 扩展功能时，不希望使用静态继承导致的类爆炸。
• 需要为对象添加多个可选的功能，并且这些功能可以独立组合。

示例：流操作功能扩展

假设有一个 Stream 接口，需要为不同的流（如文件流、网络流）添加压缩、加密等功能：

// 流接口定义
class Stream {
public:virtual void Write(const std::string& data) = 0;  // 核心操作virtual ~Stream() {}                            // 虚析构函数
};// 具体文件流实现
class FileStream : public Stream {
public:void Write(const std::string& data) override {std::cout << "Writing to file: " << data << std::endl;}
};// 压缩装饰器，组合流对象
class CompressedStream : public Stream {
private:Stream* stream_;  // 持有流对象指针
public:// 通过构造函数注入流对象CompressedStream(Stream* stream) : stream_(stream) {}void Write(const std::string& data) override {// 数据压缩逻辑std::string compressedData = "Compressed(" + data + ")";// 调用被装饰对象的Write方法stream_->Write(compressedData);}
};// 加密装饰器，组合流对象
class EncryptedStream : public Stream {
private:Stream* stream_;  // 持有流对象指针
public:// 通过构造函数注入流对象EncryptedStream(Stream* stream) : stream_(stream) {}void Write(const std::string& data) override {// 数据加密逻辑std::string encryptedData = "Encrypted(" + data + ")";// 调用被装饰对象的Write方法stream_->Write(encryptedData);}
};

动态组合调用流程

int main() {// 创建基础对象Stream* fileStream = new FileStream();// 添加压缩功能Stream* compressedStream = new CompressedStream(fileStream);// 添加加密功能Stream* encryptedStream = new EncryptedStream(compressedStream);// 执行写入操作encryptedStream->Write("Hello, World!");// 释放资源（建议使用智能指针）delete encryptedStream;return 0;
}

调用流程图示

输出结果：

Writing to file: Compressed(Encrypted(Hello, World!))

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4. 装饰器模式与组合模式的区别

特性	装饰器模式	组合模式
核心目的	动态扩展对象功能	构建树形结构
对象关系	1:1 的装饰关系	1:N 的父子关系
调用方式	链式调用	递归调用
典型应用场景	GUI控件装饰、IO流增强	文件系统、组织架构

（装饰器继承组件，又包含组件）

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5. 总结

装饰器模式关键点

特性	描述
设计模式名称	装饰器模式（Decorator Pattern）
核心思想	通过继承和组合动态扩展对象功能
优点	- 避免继承的类爆炸 - 动态、灵活地添加功能 - 符合开闭原则
适用场景	需要动态扩展对象功能，且功能可以独立组合

代码优化建议

• 使用 std::unique_ptr 或 std::shared_ptr 替代原始指针，避免内存泄漏
• 对于复杂装饰链，考虑使用工厂模式创建装饰器组合
• 在C++11/14中可使用模板装饰器实现类型安全的装饰逻辑

// 示例：模板装饰器
template <typename T>
class DecoratorTemplate : public T {
protected:T* component_;
public:DecoratorTemplate(T* component) : component_(component) {}void Operation() override {component_->Operation();}
};