【C++设计模式】第九篇：装饰器模式（Decorator）

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

动态扩展对象功能的利器

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1. 模式定义与用途​

核心思想

• 装饰器模式：通过组合对象而非继承，动态地给对象添加额外职责。
• 关键用途 ：
  1.运行时扩展功能：无需修改原有类，支持按需叠加功能（如加密、压缩）。
  2.替代多层继承：避免因功能组合导致的子类爆炸问题。

经典场景

• 数据流处理：为网络传输动态添加加密、压缩、缓存等能力。
• 日志系统：为日志消息添加时间戳、来源IP等元信息。

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2. 模式结构解析

UML类图

+---------------------+          +---------------------+  
|       Component     |          |       Decorator      |  
+---------------------+          +---------------------+  
| + operation(): void |<|---------| - component: Component  
+---------------------+          | + operation(): void |  
          ^                      +---------------------+  
          |                                ^  
          |                        +-------+------------+  
          |                        |                    |  
+---------------------+    +--------------------+  +-------------------+  
|  ConcreteComponent  |    | ConcreteDecoratorA | | ConcreteDecoratorB |  
+---------------------+    +--------------------+ +--------------------+  
| + operation()       |    | + operation()      | | + operation()      |  
+---------------------+    +--------------------+ +--------------------+  

角色说明

1. Component：抽象接口，定义核心功能方法（如send()）。
2. ​ConcreteComponent：具体组件，实现基础功能（如明文数据发送）。
3. Decorator：装饰器基类，持有组件对象并转发请求。
4. ConcreteDecorator：具体装饰器，添加扩展功能（如加密）。

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3. 现代C++实现示例

​

场景：网络数据流动态装饰

​步骤1：定义抽象数据流接口

class DataStream {  
public:  
    virtual ~DataStream() = default;  
    virtual void send(const std::string& data) = 0;  
};  

步骤2：实现基础数据流（明文传输）

class PlainStream : public DataStream {  
public:  
    void send(const std::string& data) override {  
        std::cout << "发送明文: " << data << "\n";  
    }  
};  

步骤3：定义装饰器基类

class StreamDecorator : public DataStream {  
public:  
    StreamDecorator(std::unique_ptr<DataStream> stream)  
        : stream_(std::move(stream)) {}  

    void send(const std::string& data) override {  
        stream_->send(data);  // 默认转发请求  
    }  

protected:  
    std::unique_ptr<DataStream> stream_;  
};  

步骤4：实现具体装饰器（加密与压缩）​

// 加密装饰器  
class EncryptedStream : public StreamDecorator {  
public:  
    using StreamDecorator::StreamDecorator;  

    void send(const std::string& data) override {  
        auto encrypted = "加密[" + data + "]";  
        stream_->send(encrypted);  
    }  
};  

// 压缩装饰器  
class CompressedStream : public StreamDecorator {  
public:  
    using StreamDecorator::StreamDecorator;  

    void send(const std::string& data) override {  
        auto compressed = "压缩[" + data + "]";  
        stream_->send(compressed);  
    }  
};  

步骤5：客户端动态组合装饰器

int main() {  
    // 基础数据流  
    auto plain = std::make_unique<PlainStream>();  

    // 动态添加装饰功能  
    auto encrypted = std::make_unique<EncryptedStream>(std::move(plain));  
    auto compressedAndEncrypted = std::make_unique<CompressedStream>(std::move(encrypted));  

    compressedAndEncrypted->send("Hello World");  
    // 输出：  
    // 发送明文: 压缩[加密[Hello World]]  
}  

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4. 应用场景示例

场景1：日志消息装饰

class Logger {  
public:  
    virtual ~Logger() = default;  
    virtual void log(const std::string& msg) = 0;  
};  

// 基础日志  
class FileLogger : public Logger {  
    void log(const std::string& msg) override { /* 写入文件 */ }  
};  

// 时间戳装饰器  
class TimestampLogger : public Logger {  
public:  
    TimestampLogger(std::unique_ptr<Logger> logger) : logger_(std::move(logger)) {}  

    void log(const std::string& msg) override {  
        auto timestamp = "[2023-10-01 12:00:00] ";  
        logger_->log(timestamp + msg);  
    }  

private:  
    std::unique_ptr<Logger> logger_;  
};  

场景2：图形界面控件装饰

class Button {  
public:  
    virtual void render() = 0;  
};  

// 基础按钮  
class BasicButton : public Button {  
    void render() override { /* 绘制按钮 */ }  
};  

// 边框装饰器  
class BorderDecorator : public Button {  
public:  
    BorderDecorator(std::unique_ptr<Button> button) : button_(std::move(button)) {}  

    void render() override {  
        button_->render();  
        std::cout << "添加红色边框\n";  
    }  

private:  
    std::unique_ptr<Button> button_;  
};  

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5. 优缺点分析

优点	​​缺点
动态扩展对象功能，无需修改源码	装饰器嵌套过多会降低可读性
避免继承层次过深	装饰顺序可能影响结果（如先加密后压缩）
支持运行时灵活组合功能	对象标识改变，typeid检测可能失效

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6. 调试与优化策略

调试技巧（VS2022）​

1. 跟踪装饰链调用：

• 在每个装饰器的send()方法内设置断点，观察数据流处理顺序。

2. 验证装饰器组合：

• 使用dynamic_cast检查装饰器类型（需启用RTTI）。

性能优化

1. 减少内存分配：

• 复用装饰器对象（如线程安全的对象池）。

2.批量处理优化：

class BufferedStream : public StreamDecorator {  
public:  
    void send(const std::string& data) override {  
        buffer_.push_back(data);  
        if (buffer_.size() >= 1024) {  
            flush();  
        }  
    }  
private:  
    std::vector<std::string> buffer_;  
    void flush() {  
        stream_->send(concat(buffer_));  
        buffer_.clear();  
    }  
};