《C++20设计模式》---桥接模式学习笔记

BirdsLife2023-12-17 14:09

c++20设计模式

  • [第 7 章 桥接模式](#第 7 章 桥接模式)
    • [7.1 Pimpl模式](#7.1 Pimpl模式)
    • [7.2 桥接模式介绍](#7.2 桥接模式介绍)
    • [7.3 总结](#7.3 总结)
    • [7.4 代码](#7.4 代码)

第 7 章 桥接模式

如果你一直关注C++编译器（特别GCC， Clang和MSVC）的最新进展，那么可能已经注意到编译速度提高了。特别是，编译的体量越来越大时。因为，编译器实际上只会重新编译改动的代码，并复用已编译好的未改动的部分，而不是重新构建整个编译单元。

之所以提起C++编译器，是因为过去开发者们一直在使用一个奇怪的技巧来加快编译速度。

7.1 Pimpl模式

首先，我们从技术角度来解释下Pimpl模式。假如我们要定义一个Person类。其中保存了人物的名字，并且提供了打印问候语的方法。除了像平时那样定义Person的成员，我们还可以像下面这样定义类：

cpp 复制代码 
struct Person {
    std::string name;
    void greet();

    Person();
    ~Person();

    class PersonImpl;
    PersonImpl *impl;
};

看起来很简单的类尽然搞出如此多的工作！我们仔细看看：Person中定义了namec成员和greet()方法，但为什么要定义构造函数和西沟函数呢？PersonImpl类又是干什么的？

我们看到的这个Person类将其具体实现隐藏在另一个类中，即PersonImpl。需要格外注意的是，PersonImpl类并不是在头文件中定义的，而是驻留在 .cpp 文件（person.cpp,因此Person和PersonImpl放在一起）。它的定义非常简单：

cpp 复制代码 
struct Person::PersonImpl {
    void greet(Person *p);
};

类Person中对PersonImpl做了前向声明，并且保存了一个PersonImpl类型指针。我们在Person的构造函数中初始化这个指针，并且在析构函数中销毁它。如果我们习惯使用智能指针，也可以将其替换为智能指针。

cpp 复制代码 
Person::Person() : impl(new PersonImpl()) {

}

Person::~Person() {
    delete impl;
}

现在，我们要实现Person::greet()接口，正如你预料的那样，这个接口只是把控制权交给PersonImpl::greet()：

cpp 复制代码 
void Person::greet() {
    impl->greet(this);
}

void Person::PersonImpl::greet(Person *p) {
    printf("hello %s!\n", p->name.c_str());
}

简单来说，这就是Pimpl模式。因此，现在唯一的问题是：为什么？为什么要费尽周折实现greet()的代理并且传递this指针呢？这种方法有三个优点：

  • 这种方法隐藏了类的大部分实现。如果Person类有许多私有 / 共有成员，即使由于private / protected访问限定符的存在，客户不能直接访问这些成员，但我们也会一系列丰富的API，由此暴露了Person类内部的某些成员。如果是Pimpl模式，那么只需要对外提供公共接口即可。
  • 修改隐藏的Impl类的数据成员不会影响二进制文件的兼容性。
  • 头文件只需包含声明所需的头文件，而不必包含实现所需的头文件。例如，如果Person.h头文件Person类有一个vector<string>类型私有成员，则必须在Person.h头文件中同时包含<vector>和<string>（这是可传递的，所以任何使用Person.h的文件都包含它们）。使用Pimpl模式，这可以在 .cpp 文件中完成。

Pimlpl莫斯可以使系统中的头文件更加整洁，并且不必频繁改动。不过，副作用是会影响编译速度。就本章介绍的内容而言，Pimpl模式是桥接模式的一种很好的体现：在刚才的示例中，Pimpl是一种不透明指针（即我们不知道它背后是什么），它起着桥梁的作用，将公共接口的成员与其隐藏在 .cpp文件中的底层实现结合起来。

7.2 桥接模式介绍

Pimpl模式是桥接（Bridge）模式的一种具体实现，现在我们看看关于桥接模式更加通用的做法。假设有两种（数学意义上的）对象：几何对象以及将几何对象绘制在屏幕上的渲染器对象。

如同我们在适配器模式中展示的那样，假设我们可以以向量和光栅形式进行渲染（尽管我们不会在这里编写任何实际的绘图代码），并且将几何对象的形状限制为圆形。

首先， 基类Render定义如下：

cpp 复制代码 
struct Render {
    virtual void render_circle(float x, float y, float radius) = 0;
};

我们可以轻松的构建向量渲染和光栅渲染的具体实现，下面将编写一些打印到控制台的代码来模拟实际渲染过程：

cpp 复制代码 
struct VectorRender: Render
{
    void render_circle(float x, float y, float radius) override {
        std::cout << "\nDrawing a vector circle of radius " << radius << "\n";
    }
};

struct RasterRender:Render
{
    void render_circle(float x, float y, float radius) override {
        std::cout << "\nRasterizing circle of radius " << radius << "\n";
    }
};

几何对象的基类Shape可以保存一个渲染器的引用，我们在Shape中定义draw()个resize()两个成员函数用于支持渲染和调整尺寸的操作：

cpp 复制代码 
struct Shape
{
protected:
    Render& render;
    Shape(Render& render) : render(render) {}
public:
    virtual void draw() = 0;
    virtual void resize(float factor) = 0;
};

可以看到，Shape类含有一个Render类型的引用。这正是桥接模型的"桥"之所在。接下来，我们创建Shape类的一个具体实现，并添加诸如圆心位置和半径等更多信息。

cpp 复制代码 
struct Circle: Shape
{
    float x;
    float y;
    float radius;

    Circle(Render& render, float x, float y, float radius)
        :Shape(render), x(x), y(y), radius(radius) {}
    
    void draw() override {
        render.render_circle(x, y, radius);
    }

    void resize(float factor) override {
        radius *= factor;
    }
};

桥接模式很快就展现在眼前！当然，最有趣的部分在于函数draw()：这是链接Circle(包含位置和大小信息)和渲染过程的桥梁。这里的桥就是渲染器，例如：

cpp 复制代码 
void testBridgePattern()
 {
    RasterRender rr;
    Circle raster_cicle{rr, 5, 5, 5.5};
    raster_cicle.draw();

    raster_cicle.resize(2);
    raster_cicle.draw();
 }

在这段代码中，桥就是RasterRender：我们声明了一个RasterRenderer对象，并将其引用传递给Circle。此后，对函数draw()的调用将会以此RasterRenderer引用为桥梁来对Circle进行渲染。如果需要调整圆的大小，则可以调用resize()，渲染过程仍旧可以正常运行，因为渲染器并不知道也不关心其所渲染的Circle对象。
<<abstract>> Shape # renderer: Renderer& #Shape(Renderer&) +draw() +resize(float) <<abstract>> Renderer +render_circle(float) +render_square(float) Circle - radius : float +Circle() +draw() +resize(float) VectorRenderer +render_circle(float) +render_square(float) RasterRenderer +render_circle(float) +render_square(float)

7.3 总结

桥接模式的概念很简单，它通常作为连接器或黏合剂，将两个"不相关"的组件连接起来。抽象（接口）的使用允许组件之间在不了解具体实现的情况下彼此交互。

也就是说，桥接模式的参与者确实需要意识到彼此的存在。具体来说。Circle类需要引用Renderer; Renderer也需要知道如何绘制圆（即Renderer类的成员函数draw_circle的命名由来）。这与中介者模式形成了对比，中介者模式允许对象在毫不知晓对方的情况下进行通信。

7.4 代码

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<string>

struct Person {
    std::string name;
    void greet();

    Person();
    ~Person();

    class PersonImpl;
    PersonImpl *impl;
};

struct Person::PersonImpl {
    void greet(Person *p);
};

Person::Person() : impl(new PersonImpl()) {

}

Person::~Person() {
    delete impl;
}

void Person::greet() {
    impl->greet(this);
}

void Person::PersonImpl::greet(Person *p) {
    printf("hello %s!\n", p->name.c_str());
}


void testPimpl() {
    Person p;
    p.name = "Sarry";
    p.greet();
}

struct Render {
    virtual void render_circle(float x, float y, float radius) = 0;
};

struct VectorRender: Render
{
    void render_circle(float x, float y, float radius) override {
        std::cout << "\nDrawing a vector circle of radius " << radius << "\n";
    }
};

struct RasterRender:Render
{
    void render_circle(float x, float y, float radius) override {
       std::cout << "\nRasterizing circle of radius " << radius << "\n";
    }
};

struct Shape
{
protected:
    Render& render;
    Shape(Render& render) : render(render) {}
public:
    virtual void draw() = 0;
    virtual void resize(float factor) = 0;
};

struct Circle: Shape
{
    float x;
    float y;
    float radius;

    Circle(Render& render, float x, float y, float radius)
        :Shape(render), x(x), y(y), radius(radius) {}
    
    void draw() override {
        render.render_circle(x, y, radius);
    }

    void resize(float factor) override {
        radius *= factor;
    }
};

void testBridgePattern()
 {
    RasterRender rr;
    Circle raster_cicle{rr, 5, 5, 5.5};
    raster_cicle.draw();

    raster_cicle.resize(2);
    raster_cicle.draw();
 }

int main()
{
    testPimpl();
    testBridgePattern();
    return 0;
}
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