​【C++设计模式】第二十二篇：访问者模式（Visitor）

注意：复现代码时，确保 VS2022 使用 C++17/20 标准以支持现代特性。

数据结构与操作的解耦之道

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1. 模式定义与用途

核心思想

• ​访问者模式：将数据结构的操作与数据结构本身分离，通过访问者对象实现操作逻辑，支持在不修改类的前提下添加新功能。
• ​关键用途：
  ​1.动态扩展功能：新增操作无需修改原有类（如导出、序列化、统计）。
  ​2.解耦数据结构与操作：将分散的操作集中到访问者类中。
  ​3.支持复杂对象结构：适用于树形、图形等嵌套结构的统一处理。

经典场景

• 抽象语法树（AST）遍历（类型检查、代码生成）。
• 文档导出（HTML、PDF、纯文本）。
• UI组件渲染（不同平台绘制逻辑）。

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2. 模式结构解析

UML类图

+---------------------+          +---------------------+  
|       Element       |          |       Visitor       |  
+---------------------+          +---------------------+  
| + accept(v: Visitor)|<|--------| + visit(e: ElementA)|  
+---------------------+          | + visit(e: ElementB)|  
          ^                      +---------------------+  
          |                                ^  
  +-------+-------+              +---------+---------+  
  |               |              |                   |  
+---------------------+    +----------------+ +----------------+  
|    ElementA        |    |  ConcreteVisitor | |     Client     |  
+---------------------+    +----------------+ +----------------+  
| + accept(v: Visitor)|    | + visit()      | | 调用访问者处理元素 |  
+---------------------+    +----------------+ +----------------+  

角色说明

1. Element：元素接口，定义accept方法接收访问者。
2. ​ConcreteElement：具体元素类（如ElementA、ElementB），实现accept方法。
3. Visitor：访问者接口，为每个元素类声明visit方法。
4. ConcreteVisitor：具体访问者，实现各元素的处理逻辑。
5. Client：创建访问者并触发元素对访问者的接受。

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3. 现代C++实现示例

场景：文档导出系统

​步骤1：定义元素与访问者接口

#include <iostream>  
#include <memory>  
#include <vector>  

// 前向声明  
class TextElement;  
class ImageElement;  

// 访问者接口  
class DocumentVisitor {  
public:  
    virtual ~DocumentVisitor() = default;  
    virtual void visit(const TextElement& text) = 0;  
    virtual void visit(const ImageElement& image) = 0;  
};  

// 元素接口  
class DocumentElement {  
public:  
    virtual ~DocumentElement() = default;  
    virtual void accept(DocumentVisitor& visitor) const = 0;  
};  

步骤2：实现具体元素类

// 文本元素  
class TextElement : public DocumentElement {  
public:  
    TextElement(const std::string& content) : content_(content) {}  

    void accept(DocumentVisitor& visitor) const override {  
        visitor.visit(*this);  
    }  

    const std::string& getContent() const { return content_; }  

private:  
    std::string content_;  
};  

// 图片元素  
class ImageElement : public DocumentElement {  
public:  
    ImageElement(const std::string& path) : path_(path) {}  

    void accept(DocumentVisitor& visitor) const override {  
        visitor.visit(*this);  
    }  

    const std::string& getPath() const { return path_; }  

private:  
    std::string path_;  
};  

步骤3：实现具体访问者（导出逻辑）​

// HTML导出访问者  
class HtmlExporter : public DocumentVisitor {  
public:  
    void visit(const TextElement& text) override {  
        html_ += "<p>" + text.getContent() + "</p>\n";  
    }  

    void visit(const ImageElement& image) override {  
        html_ += "<img src=\"" + image.getPath() + "\" />\n";  
    }  

    std::string getHtml() const { return html_; }  

private:  
    std::string html_;  
};  

// 纯文本导出访问者  
class TextExporter : public DocumentVisitor {  
public:  
    void visit(const TextElement& text) override {  
        text_ += text.getContent() + "\n";  
    }  

    void visit(const ImageElement& image) override {  
        text_ += "[图片: " + image.getPath() + "]\n";  
    }  

    std::string getText() const { return text_; }  

private:  
    std::string text_;  
};  

步骤4：客户端代码

int main() {  
    // 创建文档元素  
    std::vector<std::unique_ptr<DocumentElement>> doc;  
    doc.push_back(std::make_unique<TextElement>("欢迎访问！"));  
    doc.push_back(std::make_unique<ImageElement>("photo.jpg"));  

    // 导出为HTML  
    HtmlExporter htmlExporter;  
    for (const auto& elem : doc) {  
        elem->accept(htmlExporter);  
    }  
    std::cout << "HTML导出结果:\n" << htmlExporter.getHtml() << "\n";  

    // 导出为纯文本  
    TextExporter textExporter;  
    for (const auto& elem : doc) {  
        elem->accept(textExporter);  
    }  
    std::cout << "文本导出结果:\n" << textExporter.getText() << "\n";  
}  

/* 输出：  
HTML导出结果:  
<p>欢迎访问！</p>  
<img src="photo.jpg" />  

文本导出结果:  
欢迎访问！  
[图片: photo.jpg]  
*/  

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4. 应用场景示例

场景1：编译器符号表检查

class VariableNode;  
class FunctionNode;  

class SymbolTableVisitor {  
public:  
    virtual void visit(const VariableNode& var) = 0;  
    virtual void visit(const FunctionNode& func) = 0;  
};  

class VariableNode {  
public:  
    void accept(SymbolTableVisitor& visitor) { visitor.visit(*this); }  
};  

class TypeChecker : public SymbolTableVisitor {  
    void visit(const VariableNode& var) override { /* 类型检查逻辑 */ }  
    void visit(const FunctionNode& func) override { /* 类型检查逻辑 */ }  
};  

场景2：3D模型渲染器

class Mesh;  
class Light;  

class RenderVisitor {  
public:  
    virtual void render(const Mesh& mesh) = 0;  
    virtual void render(const Light& light) = 0;  
};  

class OpenGLRenderer : public RenderVisitor {  
    void render(const Mesh& mesh) override { /* OpenGL绘制网格 */ }  
    void render(const Light& light) override { /* OpenGL处理光照 */ }  
};  

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5. 优缺点分析

​优点	​缺点
新增操作无需修改元素类	新增元素类型需修改所有访问者接口
集中相关操作，提升内聚性	破坏封装性，访问者可能访问私有成员
支持复杂结构遍历（如树形结构）	增加系统复杂度，需维护访问者与元素关系

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6. 调试与优化策略

调试技巧（VS2022）​

1. ​验证访问者分发逻辑：

• 在accept()方法内设置断点，确认元素正确调用访问者的visit方法。

2. 类型安全检查：

• 使用dynamic_cast检查访问者是否处理了所有元素类型：

void accept(DocumentVisitor& visitor) const {  
    if (auto* v = dynamic_cast<HtmlExporter*>(&visitor)) {  
        v->visit(*this);  
    } else {  
        throw std::runtime_error("不支持的访问者类型！");  
    }  
}  

性能优化

1. 访问者缓存：

• 对频繁使用的访问者（如渲染器）进行实例复用，避免重复创建。

2. 并行访问：

• 对独立元素使用多线程处理（需确保访问者线程安全）：

#include <execution>  
std::for_each(std::execution::par, doc.begin(), doc.end(),  
    [&](auto& elem) { elem->accept(visitor); });