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设计模式(C++)详解——中介者模式(1)

news 2025/9/29 8:43:40

<摘要>
中介者模式就像是软件世界中的"交通警察"，它站在复杂的对象交叉路口，指挥着各个对象之间的通信流向。想象一下，如果没有交通警察，每个司机都要直接与其他所有司机协商通行顺序，那将是多么混乱的场景！中介者模式正是为了解决这种对象间复杂网状依赖关系而生的。本文将带你深入了解这个巧妙的设计模式，从它的诞生背景到现代应用，通过生动的现实案例（包括空中交通管制、聊天室系统等）展示其强大威力。我们还会亲手实现完整的中介者系统，用直观的图表揭示其工作原理。

<解析>

中介者模式深度解析：软件架构的"交通指挥官"

1. 背景与核心概念

1.1 起源与发展历程

让我们从一个生动的比喻开始：想象一个繁忙的机场控制塔。如果没有控制塔，每架飞机都需要直接与其他所有飞机通信来协调起飞、降落和航线，这将是灾难性的。中介者模式就是这个"控制塔"，它诞生于解决对象间复杂通信的需求。

1994年：GoF（Gang of Four）在《设计模式：可复用面向对象软件的基础》中首次正式提出中介者模式。

2000年代：随着MVC（Model-View-Controller）架构的流行，控制器作为中介者的角色被广泛认可。

现状趋势：现代微服务架构中的API网关、消息队列、事件总线都是中介者思想的延伸。

1.2 核心概念解析

让我们用UML类图来理解中介者模式的核心结构：

关键角色说明：

角色	职责	现实比喻
Mediator（中介者）	定义组件间通信的接口	交通警察的指挥规范
ConcreteMediator（具体中介者）	实现中介者接口，协调各组件交互	具体的交通警察
Component（组件）	每个需要交互的对象基类	道路上的车辆
ConcreteComponent（具体组件）	实现具体业务逻辑的组件	公交车、出租车、私家车

1.3 模式转换：从网状到星状

中介者模式最核心的价值在于架构的转变：

转换前（网状结构）：

转换后（星状结构）：

这种转变带来的核心优势：

方面	网状结构	星状结构
耦合度	高（每个组件依赖多个其他组件）	低（只依赖中介者）
可维护性	差（修改一个组件影响多个组件）	好（修改隔离在中介者内）
可扩展性	困难（新增组件需要修改多个现有组件）	容易（只需在中介者中注册）
复杂度	O(n²) 的交互关系	O(n) 的交互关系

2. 设计意图与考量

2.1 核心设计目标

中介者模式的设计哲学围绕三个核心目标：解耦、简化、集中控制。

2.1.1 解耦组件依赖

// 不好的做法：组件间直接依赖
class ComponentA {ComponentB* b;ComponentC* c;
public:void operation() {// 需要直接调用其他组件的方法b->doSomething();c->doAnotherThing();}
};// 好的做法：通过中介者解耦
class ComponentA {Mediator* mediator;
public:void operation() {// 通过中介者协调，不直接依赖其他组件mediator->notify(this, "operation_called");}
};

2.1.2 集中控制逻辑

所有组件间的交互逻辑都集中在中介者中，便于维护和修改：

class DialogMediator : public Mediator {Button* okButton;TextBox* nameTextBox;CheckBox* agreeCheckBox;public:void notify(Component* sender, const string& event) override {if (sender == okButton && event == "click") {// 集中处理按钮点击的逻辑if (nameTextBox->getText().empty()) {showError("姓名不能为空");} else if (!agreeCheckBox->isChecked()) {showError("请同意协议");} else {processSubmit();}}}
};

2.2 设计权衡与考量

2.2.1 上帝对象风险 vs 分散复杂度

风险：中介者可能变成"上帝对象"，承担过多职责。

解决方案：使用多个专门的中介者：

// 专门处理用户交互的中介者
class UIMediator : public Mediator {// 只处理UI组件间的交互
};// 专门处理业务逻辑的中介者  
class BusinessMediator : public Mediator {// 只处理业务组件间的交互
};// 专门处理数据流的中介者
class DataFlowMediator : public Mediator {// 只处理数据组件间的交互
};

2.2.2 性能考量

中介者模式引入的间接调用可能带来性能开销，但在大多数场景下是可接受的：

// 直接调用（快但耦合度高）
componentA->directCall(componentB);// 通过中介者（稍慢但解耦）
mediator->forwardCall(componentA, componentB);

在需要高性能的场合，可以考虑使用编译时中介者（基于模板）来减少运行时开销。

3. 实例与应用场景

3.1 案例1：聊天室系统（经典中介者模式）

应用场景：多个用户需要相互通信，但不希望直接依赖其他用户对象。

完整代码实现：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <memory>
#include <algorithm>/*** @brief 中介者接口* * 定义组件间通信的契约，具体的消息转发逻辑由子类实现。* 采用抽象类而非纯接口，提供一些基础功能。*/
class ChatMediator {
public:virtual ~ChatMediator() = default;/*** @brief 发送消息的核心方法* * @param message 消息内容* @param sender 发送者标识* @param receiver 接收者标识（空字符串表示广播）*/virtual void sendMessage(const std::string& message, const std::string& sender, const std::string& receiver = "") = 0;/*** @brief 注册用户到聊天室* * @param userName 用户名*/virtual void registerUser(const std::string& userName) = 0;
};// 前向声明
class User;/*** @brief 具体聊天室中介者* * 实现聊天室的具体逻辑，管理用户注册、消息路由、权限控制等。* 充当所有用户通信的中央枢纽。*/
class ConcreteChatMediator : public ChatMediator {
private:std::vector<std::shared_ptr<User>> users;std::vector<std::string> userNames;public:void registerUser(const std::string& userName) override {userNames.push_back(userName);std::cout << "用户 " << userName << " 加入聊天室" << std::endl;}void sendMessage(const std::string& message, const std::string& sender, const std::string& receiver = "") override {std::cout << "--- 消息路由开始 ---" << std::endl;std::cout << "发送者: " << sender << std::endl;std::cout << "消息内容: " << message << std::endl;if (!receiver.empty()) {// 私聊消息std::cout << "接收者: " << receiver << " [私聊]" << std::endl;auto it = std::find(userNames.begin(), userNames.end(), receiver);if (it != userNames.end()) {std::cout << "私聊消息成功发送给 " << receiver << std::endl;} else {std::cout << "错误: 用户 " << receiver << " 不存在" << std::endl;}} else {// 广播消息std::cout << "接收者: 所有在线用户 [广播]" << std::endl;for (const auto& user : userNames) {if (user != sender) {  // 不发送给自己std::cout << "  -> 发送给: " << user << std::endl;}}}std::cout << "--- 消息路由结束 ---" << std::endl;}
};/*** @brief 用户基类* * 所有聊天用户的基类，维护对中介者的引用。* 提供发送和接收消息的基础能力。*/
class User {
protected:std::shared_ptr<ChatMediator> mediator;std::string name;public:User(const std::string& userName, std::shared_ptr<ChatMediator> med) : name(userName), mediator(med) {}virtual ~User() = default;/*** @brief 发送消息* * @param message 消息内容* @param receiver 接收者（空表示广播）*/virtual void send(const std::string& message, const std::string& receiver = "") {std::cout << name << " 尝试发送消息..." << std::endl;mediator->sendMessage(message, name, receiver);}/*** @brief 接收消息* * @param message 消息内容* @param sender 发送者*/virtual void receive(const std::string& message, const std::string& sender) {std::cout << name << " 收到来自 " << sender << " 的消息: " << message << std::endl;}std::string getName() const { return name; }
};/*** @brief 普通用户类* * 实现普通用户的具体行为，可以发送和接收消息。*/
class BasicUser : public User {
public:BasicUser(const std::string& name, std::shared_ptr<ChatMediator> mediator) : User(name, mediator) {}
};/*** @brief 管理员用户类* * 具有特殊权限的用户，可以发送系统消息和踢人等功能。*/
class AdminUser : public User {
public:AdminUser(const std::string& name, std::shared_ptr<ChatMediator> mediator) : User(name, mediator) {}void sendSystemMessage(const std::string& message) {std::cout << "[系统消息] 管理员 " << name << " 发布: " << message << std::endl;send("[系统] " + message);  // 系统消息广播}
};// 演示代码
int main() {// 创建聊天室中介者auto chatMediator = std::make_shared<ConcreteChatMediator>();// 创建用户并注册chatMediator->registerUser("Alice");chatMediator->registerUser("Bob");chatMediator->registerUser("Charlie");chatMediator->registerUser("管理员");// 创建用户对象auto alice = std::make_shared<BasicUser>("Alice", chatMediator);auto bob = std::make_shared<BasicUser>("Bob", chatMediator);auto charlie = std::make_shared<BasicUser>("Charlie", chatMediator);auto admin = std::make_shared<AdminUser>("管理员", chatMediator);std::cout << "\n=== 聊天室演示开始 ===" << std::endl;// 演示消息发送alice->send("大家好，我是Alice！");  // 广播消息bob->send("你好Alice！", "Alice");   // 私聊消息admin->sendSystemMessage("欢迎新成员加入！");  // 系统消息std::cout << "=== 聊天室演示结束 ===" << std::endl;return 0;
}

聊天室交互时序图：

3.2 案例2：GUI对话框系统（MVC中的控制器）

应用场景：对话框中多个控件需要复杂交互，如表单验证、状态联动等。

完整代码实现：

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <vector>// 前向声明
class DialogMediator;/*** @brief UI组件基类* * 所有对话框控件的基类，维护对中介者的引用。* 提供基本的启用/禁用状态管理。*/
class Widget {
protected:DialogMediator* mediator;std::string name;bool enabled;public:Widget(const std::string& widgetName, DialogMediator* med = nullptr) : name(widgetName), mediator(med), enabled(true) {}virtual ~Widget() = default;void setMediator(DialogMediator* med) { mediator = med; }void setEnabled(bool isEnabled) { enabled = isEnabled; }bool isEnabled() const { return enabled; }std::string getName() const { return name; }// 抽象方法，子类实现具体行为virtual void onChange() = 0;virtual void draw() = 0;
};/*** @brief 对话框中介者接口* * 定义对话框组件间的交互协议。*/
class DialogMediator {
public:virtual ~DialogMediator() = default;virtual void widgetChanged(Widget* widget) = 0;virtual void addWidget(Widget* widget) = 0;
};/*** @brief 按钮控件* * 代表对话框中的按钮，可以点击触发动作。*/
class Button : public Widget {
private:std::string text;public:Button(const std::string& btnName, const std::string& btnText) : Widget(btnName), text(btnText) {}void onClick() {if (enabled) {std::cout << "按钮 '" << text << "' 被点击" << std::endl;onChange();}}void onChange() override {if (mediator) {mediator->widgetChanged(this);}}void draw() override {std::cout << "[按钮] " << text << " " << (enabled ? "[可用]" : "[禁用]") << std::endl;}std::string getText() const { return text; }
};/*** @brief 文本框控件* * 代表对话框中的文本输入框，可以输入和编辑文本。*/
class TextBox : public Widget {
private:std::string text;public:TextBox(const std::string& boxName) : Widget(boxName) {}void setText(const std::string& newText) {text = newText;std::cout << "文本框 '" << name << "' 内容变为: " << text << std::endl;onChange();}std::string getText() const { return text; }void onChange() override {if (mediator) {mediator->widgetChanged(this);}}void draw() override {std::cout << "[文本框] " << name << ": " << text << std::endl;}
};/*** @brief 复选框控件* * 代表对话框中的复选框，可以选中或取消选中。*/
class CheckBox : public Widget {
private:bool checked;public:CheckBox(const std::string& boxName) : Widget(boxName), checked(false) {}void setChecked(bool isChecked) {checked = isChecked;std::cout << "复选框 '" << name << "' " << (checked ? "选中" : "取消选中") << std::endl;onChange();}bool isChecked() const { return checked; }void onChange() override {if (mediator) {mediator->widgetChanged(this);}}void draw() override {std::cout << "[复选框] " << name << " " << (checked ? "[✓]" : "[ ]") << std::endl;}
};/*** @brief 具体对话框中介者* * 实现用户注册对话框的复杂交互逻辑。* 协调各个控件之间的状态依赖关系。*/
class RegistrationDialogMediator : public DialogMediator {
private:std::vector<Widget*> widgets;TextBox* usernameBox;TextBox* passwordBox;TextBox* emailBox;CheckBox* agreeTermsCheck;Button* submitButton;public:RegistrationDialogMediator() : usernameBox(nullptr), passwordBox(nullptr), emailBox(nullptr), agreeTermsCheck(nullptr), submitButton(nullptr) {}void addWidget(Widget* widget) override {widgets.push_back(widget);widget->setMediator(this);// 动态类型识别和绑定if (auto textBox = dynamic_cast<TextBox*>(widget)) {if (textBox->getName() == "用户名") usernameBox = textBox;else if (textBox->getName() == "密码") passwordBox = textBox;else if (textBox->getName() == "邮箱") emailBox = textBox;} else if (auto checkBox = dynamic_cast<CheckBox*>(widget)) {if (checkBox->getName() == "同意协议") agreeTermsCheck = checkBox;} else if (auto button = dynamic_cast<Button*>(widget)) {if (button->getName() == "提交按钮") submitButton = button;}}void widgetChanged(Widget* widget) override {std::cout << "\n=== 中介者处理变化: " << widget->getName() << " ===" << std::endl;if (widget == usernameBox || widget == passwordBox || widget == emailBox) {validateForm();} else if (widget == agreeTermsCheck) {handleAgreeTermsChange();} else if (widget == submitButton) {handleSubmit();}updateSubmitButton();}private:void validateForm() {std::cout << "正在进行表单验证..." << std::endl;bool usernameValid = !usernameBox->getText().empty();bool passwordValid = passwordBox->getText().length() >= 6;bool emailValid = emailBox->getText().find('@') != std::string::npos;std::cout << "用户名验证: " << (usernameValid ? "通过" : "失败") << std::endl;std::cout << "密码验证: " << (passwordValid ? "通过" : "失败") << std::endl;std::cout << "邮箱验证: " << (emailValid ? "通过" : "失败") << std::endl;}void handleAgreeTermsChange() {std::cout << "协议同意状态变化: " << (agreeTermsCheck->isChecked() ? "已同意" : "未同意") << std::endl;}void handleSubmit() {if (submitButton->isEnabled()) {std::cout << "执行提交操作..." << std::endl;std::cout << "用户名: " << usernameBox->getText() << std::endl;std::cout << "邮箱: " << emailBox->getText() << std::endl;std::cout << "注册成功！" << std::endl;} else {std::cout << "提交按钮被禁用，无法提交" << std::endl;}}void updateSubmitButton() {if (usernameBox && passwordBox && emailBox && agreeTermsCheck && submitButton) {bool canSubmit = !usernameBox->getText().empty() &&passwordBox->getText().length() >= 6 &&emailBox->getText().find('@') != std::string::npos &&agreeTermsCheck->isChecked();submitButton->setEnabled(canSubmit);std::cout << "提交按钮状态: " << (canSubmit ? "启用" : "禁用") << std::endl;}}
};// 演示代码
int main() {// 创建对话框中介者auto dialogMediator = std::make_unique<RegistrationDialogMediator>();// 创建对话框控件auto usernameBox = std::make_unique<TextBox>("用户名");auto passwordBox = std::make_unique<TextBox>("密码");auto emailBox = std::make_unique<TextBox>("邮箱");auto agreeCheck = std::make_unique<CheckBox>("同意协议");auto submitButton = std::make_unique<Button>("提交按钮", "注册");// 将控件添加到中介者dialogMediator->addWidget(usernameBox.get());dialogMediator->addWidget(passwordBox.get());dialogMediator->addWidget(emailBox.get());dialogMediator->addWidget(agreeCheck.get());dialogMediator->addWidget(submitButton.get());std::cout << "=== 用户注册对话框演示 ===" << std::endl;// 模拟用户交互usernameBox->setText("张三");passwordBox->setText("123456");emailBox->setText("zhangsan@example.com");agreeCheck->setChecked(true);std::cout << "\n--- 尝试提交 ---" << std::endl;submitButton->onClick();std::cout << "\n--- 测试验证失败 ---" << std::endl;passwordBox->setText("123");  // 密码太短submitButton->onClick();return 0;
}

对话框交互流程图：

3.3 案例3：微服务架构中的API网关

应用场景：在微服务架构中，API网关作为中介者协调各个微服务间的通信。

简化版代码实现：

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
#include <memory>/*** @brief 微服务接口* * 定义微服务的基本操作，每个微服务提供特定的业务功能。*/
class Microservice {
protected:std::string serviceName;public:Microservice(const std::string& name) : serviceName(name) {}virtual ~Microservice() = default;virtual std::string handleRequest(const std::string& request) = 0;std::string getName() const { return serviceName; }
};/*** @brief 用户服务* * 处理用户相关的业务逻辑，如注册、登录、查询用户信息等。*/
class UserService : public Microservice {
public:UserService() : Microservice("UserService") {}std::string handleRequest(const std::string& request) override {if (request.find("getUser") != std::string::npos) {return "用户信息: {id: 123, name: '张三'}";} else if (request.find("login") != std::string::npos) {return "登录成功，token: abc123";}return "未知用户请求";}
};/*** @brief 订单服务* * 处理订单相关的业务逻辑，如创建订单、查询订单、取消订单等。*/
class OrderService : public Microservice {
public:OrderService() : Microservice("OrderService") {}std::string handleRequest(const std::string& request) override {if (request.find("createOrder") != std::string::npos) {return "订单创建成功，订单号: ORD2024001";} else if (request.find("getOrder") != std::string::npos) {return "订单信息: {id: 456, amount: 299.00}";}return "未知订单请求";}
};/*** @brief 支付服务* * 处理支付相关的业务逻辑，如发起支付、查询支付状态、退款等。*/
class PaymentService : public Microservice {
public:PaymentService() : Microservice("PaymentService") {}std::string handleRequest(const std::string& request) override {if (request.find("processPayment") != std::string::npos) {return "支付成功，交易号: PAY2024001";} else if (request.find("refund") != std::string::npos) {return "退款处理中";}return "未知支付请求";}
};/*** @brief API网关（中介者）* * 作为微服务架构的中介者，负责请求路由、认证、限流、日志等跨领域关注点。* 客户端只需与网关交互，无需了解后端微服务的具体位置和实现。*/
class ApiGateway {
private:std::map<std::string, std::shared_ptr<Microservice>> services;public:void registerService(const std::string& route, std::shared_ptr<Microservice> service) {services[route] = service;std::cout << "注册服务: " << route << " -> " << service->getName() << std::endl;}std::string handleRequest(const std::string& route, const std::string& request) {std::cout << "\n=== API网关处理请求 ===" << std::endl;std::cout << "路由: " << route << std::endl;std::cout << "请求: " << request << std::endl;// 认证检查if (!authenticate(request)) {return "错误: 认证失败";}// 限流检查if (!rateLimit(route)) {return "错误: 请求过于频繁";}// 路由到对应的微服务auto it = services.find(route);if (it != services.end()) {std::cout << "路由到服务: " << it->second->getName() << std::endl;return it->second->handleRequest(request);} else {return "错误: 未找到对应的服务";}}private:bool authenticate(const std::string& request) {// 简化的认证逻辑bool authenticated = request.find("token=") != std::string::npos;std::cout << "认证结果: " << (authenticated ? "通过" : "失败") << std::endl;return authenticated;}bool rateLimit(const std::string& route) {// 简化的限流逻辑std::cout << "限流检查: 通过" << std::endl;return true;}
};// 演示代码
int main() {// 创建API网关（中介者）ApiGateway gateway;// 创建微服务auto userService = std::make_shared<UserService>();auto orderService = std::make_shared<OrderService>();auto paymentService = std::make_shared<PaymentService>();// 注册服务到网关gateway.registerService("/api/users", userService);gateway.registerService("/api/orders", orderService);gateway.registerService("/api/payments", paymentService);std::cout << "=== 微服务API网关演示 ===" << std::endl;// 模拟客户端请求std::cout << "\n1. 用户登录请求:" << std::endl;std::string response1 = gateway.handleRequest("/api/users", "action=login&token=abc123");std::cout << "响应: " << response1 << std::endl;std::cout << "\n2. 创建订单请求:" << std::endl;std::string response2 = gateway.handleRequest("/api/orders", "action=createOrder&token=abc123");std::cout << "响应: " << response2 << std::endl;std::cout << "\n3. 支付处理请求:" << std::endl;std::string response3 = gateway.handleRequest("/api/payments", "action=processPayment&token=abc123");std::cout << "响应: " << response3 << std::endl;std::cout << "\n4. 未认证请求测试:" << std::endl;std::string response4 = gateway.handleRequest("/api/users", "action=getUser");std::cout << "响应: " << response4 << std::endl;return 0;
}

4. 编译与运行指南

4.1 Makefile范例

# 编译器设置
CXX := g++
CXXFLAGS := -std=c++17 -Wall -Wextra -O2
TARGET := mediator_demo# 源文件
SOURCES := chat_mediator.cpp dialog_mediator.cpp api_gateway.cpp
OBJECTS := $(SOURCES:.cpp=.o)# 默认目标
all: $(TARGET)# 链接目标文件
$(TARGET): $(OBJECTS)$(CXX) $(CXXFLAGS) -o $@ $^# 编译源文件
%.o: %.cpp$(CXX) $(CXXFLAGS) -c $< -o $@# 清理生成文件
clean:rm -f $(OBJECTS) $(TARGET)# 运行程序
run: $(TARGET)./$(TARGET)# 调试编译
debug: CXXFLAGS += -g -DDEBUG
debug: $(TARGET).PHONY: all clean run debug

4.2 编译与运行方法

编译步骤：

# 1. 保存代码文件
# 将上述代码分别保存为 chat_mediator.cpp, dialog_mediator.cpp, api_gateway.cpp# 2. 编译程序
make# 3. 运行演示
make run

输出结果解读：

=== 聊天室演示开始 ===
Alice 尝试发送消息...
--- 消息路由开始 ---
发送者: Alice
消息内容: 大家好，我是Alice！
接收者: 所有在线用户 [广播]-> 发送给: Bob-> 发送给: Charlie-> 发送给: 管理员
--- 消息路由结束 ---

展示了消息通过中介者进行路由的过程
显示了广播消息和私聊消息的不同处理逻辑
体现了中介者集中控制的好处

5. 中介者模式的变体与演进

5.1 事件总线模式（Event Bus）

现代中介者模式的演进：事件总线提供了更松散的耦合：

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
#include <vector>
#include <functional>/*** @brief 事件总线（高级中介者）* * 基于发布-订阅模式的中介者变体，组件间完全解耦。* 组件通过事件进行通信，无需知道事件的处理者。*/
class EventBus {
private:std::map<std::string, std::vector<std::function<void(const std::string&)>>> subscribers;public:void subscribe(const std::string& eventType, std::function<void(const std::string&)> handler) {subscribers[eventType].push_back(handler);}void publish(const std::string& eventType, const std::string& data) {auto it = subscribers.find(eventType);if (it != subscribers.end()) {for (auto& handler : it->second) {handler(data);}}}
};// 使用事件总线的组件
class ComponentA {
public:void sendMessage(EventBus& bus, const std::string& message) {bus.publish("message_event", message);}
};class ComponentB {
public:ComponentB(EventBus& bus) {bus.subscribe("message_event", [this](const std::string& data) {this->onMessageReceived(data);});}void onMessageReceived(const std::string& message) {std::cout << "ComponentB 收到消息: " << message << std::endl;}
};

5.2 中介者模式与相关模式对比

模式	关注点	耦合度	适用场景
中介者模式	对象间交互的集中管理	低（通过中介者）	复杂交互的组件群
观察者模式	一对多的依赖关系	较低（主题与观察者）	事件通知系统
外观模式	简化复杂子系统接口	低（客户端与子系统）	子系统接口简化
代理模式	控制对象访问	较低（客户端与真实对象）	访问控制、延迟加载