C++ 设计模式 - 策略模式

一：概述

策略模式是一种行为设计模式，来源于《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书。它定义了一组算法，并将它们封装成独立的对象。策略模式在标准模板库（STL）中被广泛使用。

二：策略模式的设计实现

目的

定义一组算法，并将它们封装成对象。

别名

策略（Policy）

使用场景

1）需要多种不同版本的算法。

2）客户端不需要了解具体的算法实现。

3）需要在程序运行时能够切换算法。

1. 策略（Strategy）

为一组算法定义接口。

2. 具体策略（ConcreteStrategy）

实现某个具体的算法。

3. 上下文（Context）

维护对具体策略（ConcreteStrategy）的引用。

持有一个具体策略（ConcreteStrategy）。

上下文（Context）持有一个封装在对象中的具体策略（ConcreteStrategy）。具体策略实现了策略（Strategy）接口。通常，具体策略可以在程序运行时进行调整。

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <memory>
#include <utility>

// 抽象策略类，定义策略接口
class Strategy {
public:
    virtual void execute() = 0;  // (4) 纯虚函数，具体策略类需要实现此方法
    virtual ~Strategy() {}       // 虚析构函数，保证子类正确析构
};

// 上下文类，负责管理和执行策略
class Context {
    std::unique_ptr<Strategy> strat{};  // (1) 使用智能指针管理策略对象，确保资源自动释放
public:                                                   
    void setStrategy(std::unique_ptr<Strategy> strat_) {  // (2) 设置策略，使用 std::move 进行所有权转移
        strat = std::move(strat_);
    }
    
    void strategy() {  // (3) 执行当前策略（如果存在）
        if (strat) strat->execute();
    }
};

// 具体策略1，实现 execute 方法
class Strategy1 : public Strategy {
public:
    void execute() override {  // override 关键字确保正确重写基类方法
        std::cout << "Strategy1 executed\n";
    }
};

// 具体策略2，实现 execute 方法
class Strategy2 : public Strategy {
public:
    void execute() override {
        std::cout << "Strategy2 executed\n";
    }
};

// 具体策略3，实现 execute 方法
class Strategy3 : public Strategy {
public:
    void execute() override {
        std::cout << "Strategy3 executed\n";
    }
};

int main() {
    std::cout << '\n';

    Context k;  // 创建上下文对象

    // 设置并执行策略1
    k.setStrategy(std::make_unique<Strategy1>());
    k.strategy();

    // 设置并执行策略2
    k.setStrategy(std::make_unique<Strategy2>());
    k.strategy();

    // 设置并执行策略3
    k.setStrategy(std::make_unique<Strategy3>());
    k.strategy();

    std::cout << '\n';

    return 0;
}

三：策略模式在C++标准库中的应用

cpp 复制代码

template<class T, class Allocator = std::allocator<T>>          // (1)
class vector; 

template<class Key,
    class T,
    class Hash = std::hash<Key>,                               // (3)
    class KeyEqual = std::equal_to<Key>,                       // (4)
    class allocator = std::allocator<std::pair<const Key, T>>  // (2)
class unordered_map;

策略模式在 STL 中被广泛应用，主要用于允许用户自定义算法或策略，以适应不同的需求。例如，STL 容器 std::vector 和 std::unordered_map 使用 模板参数 作为策略对象，提供了灵活的内存管理、哈希计算等策略的自定义能力。

策略模式的体现：

哈希函数可替换：如果默认的 std::hash<Key> 不能满足需求（如哈希冲突太多），可以提供自定义哈希函数。
键比较策略可替换：如果键的比较方式需要修改（如忽略大小写），可以自定义 KeyEqual。
内存分配策略可替换：默认的 std::allocator 可以替换为其他自定义分配器。

四：策略模式的优缺点

优点

算法被封装成对象，并且可以在运行时进行替换。
添加新的策略非常容易，只需实现一个新的策略类即可。
策略模式可以替代基于 if/else 或 switch 语句的条件执行，提高代码的可维护性和扩展性。
在 C++ 中，可调用对象（Callables）通常是策略的轻量级实现。

缺点

客户端必须了解并选择合适的策略。
可能会导致对象（策略）数量急剧增加。