23 种设计模式

经典的 23 种设计模式源自于 1994 年出版的著作《设计模式：可复用面向对象软件的基础》（Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software ），作者是 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides，这四位常被合称为 "GoF"（Gang of Four）。

虽然这些模式是用 C++ 和 Smalltalk 描述的，但它们的思想适用于所有面向对象的编程语言。在 C++ 的 STL 和各大框架（如 Qt、Boost）中，都能看到这些模式的身影。

以下是这 23 种设计模式的完整列表，并按照其目的（创建型、结构型、行为型）进行了分类：

一、创建型模式 (Creational Patterns)

这些模式关注对象的创建机制 ，试图以更加灵活和合适的方式创建对象，而不是直接使用 new 关键字。它们使系统不依赖于对象创建和组合的具体细节。

单例模式 (Singleton)
- 意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
- C++ 要点 ：需要注意线程安全、双重检查锁定（C++11后可使用 std::call_once 或 magic static）、防止拷贝和赋值。
工厂方法模式 (Factory Method)
- 意图：定义一个用于创建对象的接口，但让子类决定将哪一个类实例化。使一个类的实例化延迟到其子类。
- C++ 要点：通常定义一个虚的工厂方法，由子类重写。是框架设计的核心。
抽象工厂模式 (Abstract Factory)
- 意图：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。
- C++ 要点：一个"工厂的工厂"，常用于 GUI 库、跨平台套件等，用于创建一整套产品族。
建造者模式 (Builder)
- 意图：将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
- C++ 要点：通过一个指挥者（Director）来指导构建过程，建造者（Builder）接口负责一步步构建。适用于构建过程复杂、步骤固定的对象。
原型模式 (Prototype)
- 意图：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这个原型来创建新的对象。
- C++ 要点 ：需要实现一个克隆方法（通常是 clone()），涉及到深拷贝与浅拷贝的问题。

二、结构型模式 (Structural Patterns)

这些模式关注类和对象的组合，旨在通过组合类或对象来获得更大的结构。

适配器模式 (Adapter)
- 意图：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。
- C++ 要点：分为类适配器（通过多继承实现，C++特有）和对象适配器（通过组合实现，更常用）。
桥接模式 (Bridge)
- 意图：将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化。
- C++ 要点：使用组合而不是继承，将"什么"和"怎么做"分离开，避免类爆炸。
组合模式 (Composite)
- 意图：将对象组合成树形结构以表示"部分-整体"的层次结构。使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。
- C++ 要点：常用于表示树形数据结构，如文件系统、UI 组件树。
装饰器模式 (Decorator)
- 意图：动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，它比生成子类更为灵活。
- C++ 要点 ：通过组合和继承（实现相同接口）来实现，是继承的一个替代方案。C++的 std::stack 和 std::queue 实际上就是这种模式。
外观模式 (Facade)
- 意图：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，此模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。
- C++ 要点：提供一个简化的接口来封装一个复杂的子系统，降低客户端与子系统的耦合度。
享元模式 (Flyweight)
- 意图：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
- C++ 要点：通过将对象的"内在状态"（可共享）和"外在状态"（不可共享）分离来节省内存。常用于池化技术，如线程池、连接池。
代理模式 (Proxy)
- 意图：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
- C++ 要点 ：代理类和被代理类实现相同的接口。常见类型有：远程代理、虚拟代理（延迟加载）、保护代理（权限控制）、智能指针（如 std::shared_ptr）等。

三、行为型模式 (Behavioral Patterns)

这些模式关注对象之间的职责分配和通信，以及算法的封装。

职责链模式 (Chain of Responsibility)
- 意图：使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。将这些对象连成一条链，并沿着这条链传递该请求，直到有一个对象处理它为止。
- C++ 要点：常用于事件处理系统、异常处理机制。
命令模式 (Command)
- 意图：将一个请求封装为一个对象，从而使你可用不同的请求对客户进行参数化；对请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销的操作。
- C++ 要点：将"动作"本身抽象为对象，常用于实现撤销（Undo）/重做（Redo）功能、宏命令、任务队列。
解释器模式 (Interpreter)
- 意图：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。
- C++ 要点：用于特定领域语言的解释，应用场景相对较少（如正则表达式、SQL解析），可能会用到递归下降等解析技术。
迭代器模式 (Iterator)
- 意图：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不需暴露该对象的内部表示。
- C++ 要点 ：C++ STL 的核心模式，std::vector, std::list 等容器的 begin(), end() 返回的就是迭代器。自己实现时需要注意 const_iterator 等问题。
中介者模式 (Mediator)
- 意图：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。中介者使各对象不需要显式地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。
- C++ 要点：将复杂的网状关系变为星状关系，MVC 框架中的控制器（Controller）就扮演了中介者的角色。
备忘录模式 (Memento)
- 意图：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。这样以后就可将该对象恢复到原先保存的状态。
- C++ 要点：用于实现快照和撤销功能。需要注意保存状态时如何保持封装性（友元类是一种常见但需慎用的方式）。
观察者模式 (Observer)
- 意图：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。
- C++ 要点 ：又称发布-订阅模式。是 MVC 架构的核心。实现时需要注意主题（Subject）和观察者（Observer）的生命周期管理，避免悬空指针，可使用 std::weak_ptr。
状态模式 (State)
- 意图：允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它的类。
- C++ 要点：将不同状态的行为分离到不同的状态类中，消除了庞大的条件语句（if-else 或 switch-case）。
策略模式 (Strategy)
- 意图：定义一系列的算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可相互替换。本模式使得算法可独立于使用它的客户而变化。
- C++ 要点 ：C++中常用函数对象（Functor）或 std::function 来实现，是"组合优于继承"的经典体现。STL 中的 std::sort 的比较函数就是策略模式。
模板方法模式 (Template Method)
- 意图：定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。
- C++ 要点：通过虚函数或函数指针（C风格）来实现"钩子"操作，是代码复用的基础技术。
访问者模式 (Visitor)
- 意图：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。它使你可以在不改变各元素的类的前提下定义作用于这些元素的新操作。
- C++ 要点：双重分发（Double Dispatch）技术。优点是可以很容易地添加新操作，但缺点是不容易添加新的元素节点类。

学习建议

不要死记硬背 ：理解每个模式的意图、适用场景 和优缺点远比记住它的结构重要。
从经典开始 ：优先掌握最常用的模式，如：单例、工厂方法、抽象工厂、观察者、装饰器、策略、迭代器、代理。
结合 C++ 特性：思考如何在 C++ 中更好地实现它们，例如使用智能指针管理生命周期、利用 RAII、模板元编程等。
避免过度设计：模式是解决特定问题的利器，但不是银弹。在简单的场景生搬硬套模式，反而会让代码变得复杂难懂。