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C++中的过滤器模式：原理、实现与应用

news 2025/11/3 6:44:35

在软件开发中，我们经常需要从一组对象中筛选出满足特定条件的子集。例如，电商平台筛选“价格低于200元且评分高于4.5星的商品”，日志系统提取“ERROR级别且包含关键词‘数据库’的日志”，或者社交应用展示“年龄在25-35岁之间的好友”。这类场景的核心需求是**“多条件组合筛选”**，而过滤器模式（Filter Pattern）正是为解决这类问题设计的经典设计模式。

一、过滤器模式的核心概念

过滤器模式（又称筛选器模式）是一种结构型设计模式，它的核心思想是：将对象的过滤逻辑封装在独立的“过滤器”类中，通过组合多个过滤器实现复杂条件的筛选，且筛选逻辑与被筛选对象解耦。

简单来说，过滤器模式就像现实生活中的“筛子”——每个筛子有特定的孔径（过滤条件），多个筛子可以叠放使用（组合条件），最终得到符合所有条件的物品。在代码中，这种思想体现为：

被筛选的对象：一组具有共同属性的实体（如商品、用户、日志）。
过滤器接口：定义“过滤”行为的规范（如一个filter方法）。
具体过滤器：实现接口的类，封装单一过滤条件（如“价格低于200元”）。
组合过滤器：组合多个过滤器，实现逻辑运算（如“且”“或”“非”）。

过滤器模式的优势在于**“单一职责”和“组合灵活”**：每个过滤器只负责一种条件，新增条件只需新增过滤器，且通过组合可快速实现复杂筛选，无需修改原有代码。

二、过滤器模式的结构与UML

过滤器模式的核心结构包含4个部分，其UML类图如下：

+-------------------+       +-------------------+
|      Client       |       |     Person        |
+-------------------+       +-------------------+
| - main()          |       | - name: string    |
+-------------------+       | - age: int        ||                   | - gender: string  ||                   | - isMarried: bool ||                   +-------------------+|                           ^v                           |
+-------------------+       +-------------------+
|     Filter        |<------| 具体过滤器         |
+-------------------+       +-------------------+
| + filter(list):   |       | + filter(list):   |
|   list<Person>    |       |   list<Person>    |
+-------------------+       +-------------------+^|
+-------------------+       +-------------------+
|   组合过滤器      |<------| AndFilter/OrFilter|
+-------------------+       +-------------------+
| - filters: list   |       | + filter(list):   |
| + add(filter)     |       |   list<Person>    |
+-------------------+       +-------------------+

被筛选对象（如Person）：包含需要被筛选的属性（如年龄、性别），是过滤器的处理目标。
过滤器接口（Filter）：定义纯虚方法filter，接收对象集合，返回筛选后的子集。
具体过滤器：实现Filter接口，封装单一条件（如MaleFilter筛选男性，AgeFilter筛选特定年龄范围）。
组合过滤器：继承Filter接口，内部包含多个子过滤器，实现逻辑组合（如AndFilter返回同时满足所有子过滤器的对象，OrFilter返回满足任意子过滤器的对象）。

三、C++实现过滤器模式的实例

下面以“筛选人员信息”为例，完整实现过滤器模式。假设需要筛选“年龄大于30岁的已婚男性”，我们将通过具体过滤器和组合过滤器的配合实现这一需求。

1. 定义被筛选对象（`Person`类）

首先定义需要被筛选的对象Person，包含姓名、年龄、性别、婚姻状态等属性：

#include <string>
#include <vector>
#include <memory> // 智能指针，用于管理过滤器生命周期// 被筛选的对象：人员信息
class Person {
private:std::string name;   // 姓名int age;            // 年龄std::string gender; // 性别（"Male"/"Female"）bool isMarried;     // 是否已婚public:// 构造函数Person(std::string name, int age, std::string gender, bool isMarried): name(std::move(name)), age(age), gender(std::move(gender)), isMarried(isMarried) {}//  getter方法（供过滤器访问属性）std::string getName() const { return name; }int getAge() const { return age; }std::string getGender() const { return gender; }bool getIsMarried() const { return isMarried; }
};

2. 定义过滤器接口（`Filter`）

过滤器接口是所有过滤器的基类，定义filter方法作为筛选行为的规范：

// 过滤器接口
class Filter {
public:// 纯虚方法：筛选人员集合，返回符合条件的子集virtual std::vector<Person> filter(const std::vector<Person>& persons) const = 0;// 虚析构函数（确保子类析构正常）virtual ~Filter() = default;
};