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【读书笔记】《C++ Software Design》第五章：The Strategy and Command Design Patterns

news 2025/7/14 7:26:03

《C++ Software Design》第五章：The Strategy and Command Design Patterns

本章重点介绍两种“行为型设计模式”：策略模式（Strategy Pattern）与命令模式（Command Pattern）。核心问题分别是：

Strategy：隔离如何做（算法实现）
Command：隔离做什么（执行动作）

深入探讨传统面向对象实现存在的不足，以及如何借助现代 C++ 的特性（如模板、std::function、值语义）来替代经典写法。

Guideline 19: Use Strategy to Isolate How Things Are Done

目的

我们不希望主类直接控制算法细节，而是通过抽象策略接口将具体算法实现分离出去，使行为具有可配置性、可替换性和可测试性。

Analyzing the Design Issues

问题：如何在不修改主类逻辑的前提下，动态切换算法行为？

示例情境：有一个 Shape 类，它支持不同的“绘图策略”，例如 Vector 和 Raster。

The Strategy Design Pattern Explained

struct DrawingStrategy {virtual void draw() const = 0;virtual ~DrawingStrategy() = default;
};struct VectorDrawing : DrawingStrategy {void draw() const override {std::cout << "Drawing with vector lines.\n";}
};struct RasterDrawing : DrawingStrategy {void draw() const override {std::cout << "Drawing with pixels.\n";}
};class Shape {std::unique_ptr<DrawingStrategy> strategy_;
public:Shape(std::unique_ptr<DrawingStrategy> s) : strategy_(std::move(s)) {}void draw() const { strategy_->draw(); }
};

你可以在运行时将不同策略注入 Shape 对象中。

Analyzing the Shortcomings of the Naive Solution

使用虚函数有运行时开销；
所有策略都要继承接口类，样板代码多；
无法表达“静态策略”：某些行为在编译期就应决定。

Comparison Between Visitor and Strategy

维度	Strategy	Visitor
用于扩展	算法的实现	操作的种类
使用方式	客户端选择策略对象	类型自身 `accept(visitor)` 回调
增加新操作	只需新建策略类	必须修改 visitor 接口和实现类
动态 vs 静态	可动态切换	通常是静态绑定

Policy-Based Design（模板策略）

借助模板参数实现“编译期策略注入”，零运行时成本：

template<typename DrawingPolicy>
class Shape {
public:void draw() const {DrawingPolicy{}.draw();}
};struct SVGPolicy {void draw() const { std::cout << "SVG drawing\n"; }
};Shape<SVGPolicy> s1;
s1.draw(); // 输出：SVG drawing

优势：

零开销（没有虚表）；
策略间互不耦合；
更易于组合多个策略（如日志 + 绘图）。

Guideline 20: Favor Composition over Inheritance

原则解释

继承是紧耦合，破坏封装；组合是一种更灵活的复用方式。

class Engine {
public:virtual void start() = 0;
};class Car {std::unique_ptr<Engine> engine_;
public:Car(std::unique_ptr<Engine> e) : engine_(std::move(e)) {}void drive() {engine_->start();}
};

将“引擎行为”作为组合注入而非通过继承扩展 Car，支持运行时替换、功能复用。

Guideline 21: Use Command to Isolate What Things Are Done

概念

命令模式将“动作”封装为对象，可用于延迟执行、宏命令、撤销、操作记录等场景。

Command Design Pattern Explained

struct Command {virtual void execute() = 0;virtual ~Command() = default;
};struct PrintCommand : Command {void execute() override {std::cout << "Printing document...\n";}
};class Invoker {std::vector<std::unique_ptr<Command>> queue_;
public:void add(std::unique_ptr<Command> cmd) {queue_.push_back(std::move(cmd));}void run() {for (auto& cmd : queue_) {cmd->execute();}}
};

🆚 Strategy vs Command

特征	Strategy	Command
抽象的目标	算法的实现方式	动作的执行内容
使用方式	`context->run(strategy)`	`cmd->execute()`
通常搭配对象	算法、排序、日志	用户事件、GUI、请求调度

Shortcomings of Classic Command

每种命令都需创建一个类，数量膨胀；
动作封装不够灵活，类耦合度高。

Guideline 22: Prefer Value Semantics over Reference Semantics

GoF 风格的问题

经典实现中，大量使用 shared_ptr 或裸指针管理命令/策略对象，容易造成资源管理混乱：

auto cmd = std::make_shared<PrintCommand>();

一旦多个地方持有相同指针，生命周期不易掌控。

现代 C++：值语义策略

struct PrintCommand {void operator()() const {std::cout << "Print\n";}
};std::vector<PrintCommand> cmds = { PrintCommand{} };

无需担心内存泄露；
容器友好；
更安全、易于并发使用。

Value Semantics in `std::function`

using Command = std::function<void()>;std::vector<Command> cmds;
cmds.push_back([](){ std::cout << "Execute\n"; });

将命令行为直接封装为“值”，即函数对象。

Guideline 23: Prefer a Value-Based Implementation of Strategy and Command

std::function 简化命令和策略

using Strategy = std::function<void()>;class Shape {Strategy draw_;
public:Shape(Strategy s): draw_(std::move(s)) {}void draw() const { draw_(); }
};Shape s([](){ std::cout << "Draw with OpenGL\n"; });
s.draw(); // 输出：Draw with OpenGL

不需要接口类、不需要虚函数，不需要手动管理生命周期。

性能分析

实现方式	是否需堆分配	是否有虚函数	性能
传统 Command	是（智能指针）	是	中等
Policy 模板策略	否	否	高（内联优化）
std::function	否（小对象优化）	否	中高（取决闭包大小）

std::function 的限制

不支持接口描述：没有显式接口要求；
不能静态类型检查（传错参数不会编译失败）；
拷贝时需注意闭包大小（超过 SBO 时可能 heap 分配）。

小结

模式	作用	建议实现方式	场景适用性
Strategy	隔离“如何做”（算法）	模板策略 / std::function	日志、绘图、压缩算法
Command	隔离“做什么”（动作）	std::function	GUI、宏命令、异步请求
Value Semantics	简化资源管理，提高安全性	使用函数对象 / RAII	所有现代 C++ 项目
Policy	零运行时开销的行为注入	模板	性能敏感、泛型组件设计