《C++ Software Design》第六章深入剖析 Adapter、Observer 和 CRTP 模式
在现代 C++ 软件设计中，设计模式（Design Patterns） 早已超越传统的"套路"概念，演化为一种构建高扩展性、高抽象性的系统结构指南。《C++ Software Design》一书第六章精炼地介绍了三类实用的设计模式：Adapter、Observer 和 CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）。
Guideline 24：使用 Adapter 模式统一接口（Standardize Interfaces）
Adapter 模式的基本原理
Adapter（适配器） 模式的核心目的是将不兼容接口的类转换为用户所期望的接口。你可以把它想象成"接口翻译器"。
UML 示意：
[Client] → [Target Interface] ← [Adapter] ← [Adaptee]应用场景：
- 旧有系统迁移到新接口标准
- 第三方库的接口无法修改
- 多个接口标准需要统一封装
Object Adapter vs Class Adapter
C++ 中可以通过两种方式实现适配器：
1. Object Adapter（对象适配器）
通过组合方式，将已有类的对象作为成员，并在适配器内部转换调用。
cpp
class Adaptee {
public:
void specificRequest() {
std::cout << "Adaptee called\n";
}
};
class Target {
public:
virtual void request() = 0;
};
class Adapter : public Target {
Adaptee adaptee;
public:
void request() override {
adaptee.specificRequest(); // 转换调用
}
};2. Class Adapter（类适配器）
使用多重继承，使适配器既继承目标接口，也继承现有实现类：
cpp
class Adapter : public Target, public Adaptee {
public:
void request() override {
specificRequest(); // 直接调用继承来的方法
}
};缺点：类适配器强依赖继承，侵入性强，不适合多适配组合。
标准库中的 Adapter 示例
std::function可以适配任意可调用对象（函数指针、lambda、functor）std::back_insert_iterator是对容器插入操作的适配<functional>中的std::bind,std::mem_fn,std::not1都是函数适配器
Adapter 与 Strategy 的对比
| 特性 | Adapter | Strategy |
|---|---|---|
| 目标 | 兼容已有接口 | 提供可替换的算法 |
| 封装行为 | 不是行为封装，而是接口转换 | 封装行为并可切换 |
| 应用对象 | 面向接口兼容问题 | 面向策略多样性 |
Adapter 的缺点分析
- 多重适配链容易导致复杂依赖
- 隐藏真实接口，可能造成可读性下降
- 类适配器过度依赖继承（不可组合）
Guideline 25：使用 Observer 实现解耦的通知机制（Abstract Notification）
Observer 模式的基本原理
Observer（观察者）是一种 发布-订阅（Publish-Subscribe）机制，当"主题对象"状态变化时，通知所有观察者对象。
UML 示意：
[Subject] → maintains list of → [Observers]
[Observer] ← notified by ← [Subject::notify()]关键点：
- 抽象通知机制
- 支持多观察者
- 动态添加/移除观察者
经典实现方式
cpp
class Observer {
public:
virtual void update(int value) = 0;
};
class Subject {
std::vector<Observer*> observers;
int value;
public:
void attach(Observer* o) {
observers.push_back(o);
}
void setValue(int v) {
value = v;
for (auto* o : observers) {
o->update(value);
}
}
};值语义的观察者实现（Modern C++ 风格）
使用 std::function、std::unordered_map 代替原始指针和继承层次：
cpp
class Subject {
using Callback = std::function<void(int)>;
std::unordered_map<int, Callback> observers;
int nextId = 0;
public:
int subscribe(Callback cb) {
int id = nextId++;
observers[id] = std::move(cb);
return id;
}
void unsubscribe(int id) {
observers.erase(id);
}
void notify(int val) {
for (auto& [_, cb] : observers) cb(val);
}
};Observer 的缺陷
- 如果未正确解除绑定，可能出现 悬挂引用
- 串联通知容易形成 更新风暴
- 缺乏线程安全机制时存在并发问题
Guideline 26：使用 CRTP 实现静态类型特性（Static Type Categories）
CRTP 的动机
Curiously Recurring Template Pattern（奇异递归模板模式） 通过将派生类作为模板参数传递给基类，实现 静态多态（Static Polymorphism）。
cpp
template<typename Derived>
class Base {
public:
void interface() {
static_cast<Derived*>(this)->implementation();
}
};
class Derived : public Base<Derived> {
public:
void implementation() {
std::cout << "Derived logic\n";
}
};使用场景
- 静态分发函数行为
- 消除虚函数开销
- 编译期强类型行为（如标签分类）
CRTP 的缺点分析
- 可读性差：对新手不友好，调试困难
- 耦合性强：派生类必须符合模板要求，不能动态切换行为
- 模板膨胀：容易造成代码 bloat
CRTP vs C++20 Concepts
| 特性 | CRTP | Concepts |
|---|---|---|
| 类型约束 | 编译期类型匹配 | 明确声明概念接口 |
| 抽象性 | 依赖实例化机制 | 抽象表达能力更强 |
| 可组合性 | 较差（需结构匹配） | 支持组合概念 |
✅ 在现代 C++ 中，CRTP 仍是 concepts 的低阶静态行为模拟手段。
Guideline 27：使用 CRTP 构建静态 Mixin 类（Static Mixins）
Mixin 是一种通过组合而非继承 复用行为的技术。在 C++ 中，CRTP 非常适合做 静态 Mixin。
动机示例：添加强类型比较支持
cpp
template<typename Derived>
class EqualityComparable {
public:
friend bool operator==(const Derived& lhs, const Derived& rhs) {
return lhs.equals(rhs);
}
friend bool operator!=(const Derived& lhs, const Derived& rhs) {
return !lhs.equals(rhs);
}
};
class Person : public EqualityComparable<Person> {
std::string name;
public:
bool equals(const Person& other) const {
return name == other.name;
}
};用于静态能力增强的模式
boost::operators<>std::enable_shared_from_this<T>本质就是 CRTP Mixin- Policy-based Design 中每个 policy 类也是 CRTP mixin
总结
第六章系统揭示了三种 C++ 中非常典型的设计模式及其静态实现技巧：
| 模式名称 | 本质功能 | 推荐场景 |
|---|---|---|
| Adapter | 接口兼容/转换 | 第三方库/统一标准 |
| Observer | 解耦事件通知机制 | GUI、MVC、数据流架构 |
| CRTP | 静态多态与类型增强 | 零运行开销的行为复用、类型封装 |
它们分别强调了接口适配、事件解耦和静态行为增强的不同维度，是 C++ 软件设计中的"三剑客"。