C++设计模式之行为型模式：命令模式（Command）

bkspiderx2025-10-04 19:55

命令模式（Command）是行为型设计模式的一种，它通过将请求封装为对象，使请求的发送者与接收者解耦，同时支持请求的参数化、队列化、日志记录和撤销操作。这种模式将"做什么"与"谁去做"分离，提高了系统的灵活性和可扩展性。

一、核心思想与角色

命令模式的核心是"封装请求为对象"，通过命令对象介导发送者与接收者的交互。其核心角色如下：

角色名称 核心职责
抽象命令（Command） 定义命令的接口，声明执行命令的方法（如execute()）和撤销方法（如undo()）。
具体命令（ConcreteCommand） 实现抽象命令接口，持有接收者对象，在execute()中调用接收者的具体方法，完成请求。
接收者（Receiver） 执行命令的实际对象，包含具体的业务逻辑（如开灯、关灯的具体实现）。
调用者（Invoker） 持有命令对象，负责调用命令的execute()方法，不关心命令如何执行。
客户端（Client） 创建具体命令对象，指定其接收者，并将命令对象交给调用者执行。

核心思想：将请求封装为命令对象，使发送者（调用者）无需知道接收者的具体信息，只需通过命令对象即可触发请求；同时，命令对象可被存储、传递和复用，支持复杂的操作管理（如撤销、重试）。

二、实现示例（智能家电控制系统）

假设我们需要设计一个智能遥控器（调用者），可控制多种家电（接收者，如灯光、电视）的开关操作，并支持撤销功能。使用命令模式可灵活扩展设备类型和操作：

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

// 2. 接收者1：灯光
class Light {
private:
    std::string location; // 位置（如客厅、卧室）

public:
    Light(const std::string& loc) : location(loc) {}

    // 具体业务逻辑：开灯
    void on() {
        std::cout << location << "灯光已打开" << std::endl;
    }

    // 具体业务逻辑：关灯
    void off() {
        std::cout << location << "灯光已关闭" << std::endl;
    }
};

// 2. 接收者2：电视
class TV {
private:
    std::string location;
    int channel; // 频道

public:
    TV(const std::string& loc) : location(loc), channel(0) {}

    void on() {
        std::cout << location << "电视已打开" << std::endl;
    }

    void off() {
        std::cout << location << "电视已关闭" << std::endl;
    }

    void setChannel(int ch) {
        channel = ch;
        std::cout << location << "电视已切换到频道" << channel << std::endl;
    }

    int getChannel() const { return channel; }
};

// 1. 抽象命令
class Command {
public:
    virtual void execute() = 0;   // 执行命令
    virtual void undo() = 0;      // 撤销命令
    virtual ~Command() = default;
};

// 3. 具体命令1：开灯命令
class LightOnCommand : public Command {
private:
    Light* light; // 持有接收者（灯光）

public:
    LightOnCommand(Light* l) : light(l) {}

    // 执行：调用接收者的on()
    void execute() override {
        light->on();
    }

    // 撤销：调用接收者的off()（与execute相反）
    void undo() override {
        light->off();
    }
};

// 3. 具体命令2：关灯命令
class LightOffCommand : public Command {
private:
    Light* light;

public:
    LightOffCommand(Light* l) : light(l) {}

    void execute() override {
        light->off();
    }

    void undo() override {
        light->on();
    }
};

// 3. 具体命令3：开电视并切换频道命令
class TVOnWithChannelCommand : public Command {
private:
    TV* tv;
    int prevChannel; // 记录之前的频道（用于撤销）

public:
    TVOnWithChannelCommand(TV* t, int channel) : tv(t), prevChannel(0) {
        this->prevChannel = tv->getChannel(); // 保存当前频道
    }

    void execute() override {
        prevChannel = tv->getChannel(); // 执行前再次保存当前频道
        tv->on();
        tv->setChannel(5); // 切换到5频道
    }

    void undo() override {
        tv->setChannel(prevChannel); // 恢复到之前的频道
        tv->off(); // 关闭电视
    }
};

// 3. 空命令（用于初始化遥控器按钮，避免空指针）
class NoCommand : public Command {
public:
    void execute() override {} // 什么也不做
    void undo() override {}    // 什么也不做
};

// 4. 调用者：智能遥控器
class RemoteControl {
private:
    std::vector<Command*> onCommands;  // 存储"开"命令
    std::vector<Command*> offCommands; // 存储"关"命令
    Command* lastCommand; // 记录最后执行的命令（用于撤销）

public:
    // 构造函数：初始化按钮为无命令
    RemoteControl(int buttonCount) {
        Command* noCommand = new NoCommand();
        for (int i = 0; i < buttonCount; ++i) {
            onCommands.push_back(noCommand);
            offCommands.push_back(noCommand);
        }
        lastCommand = noCommand;
    }

    // 设置按钮对应的命令
    void setCommand(int slot, Command* onCmd, Command* offCmd) {
        if (slot >= 0 && slot < onCommands.size()) {
            onCommands[slot] = onCmd;
            offCommands[slot] = offCmd;
        }
    }

    // 按下"开"按钮
    void pressOnButton(int slot) {
        if (slot >= 0 && slot < onCommands.size()) {
            onCommands[slot]->execute();
            lastCommand = onCommands[slot]; // 记录最后执行的命令
        }
    }

    // 按下"关"按钮
    void pressOffButton(int slot) {
        if (slot >= 0 && slot < offCommands.size()) {
            offCommands[slot]->execute();
            lastCommand = offCommands[slot]; // 记录最后执行的命令
        }
    }

    // 按下撤销按钮
    void pressUndoButton() {
        std::cout << "撤销操作：";
        lastCommand->undo();
    }

    // 析构函数：释放命令对象
    ~RemoteControl() {
        // 释放所有命令（注意：NoCommand可能被多个按钮共享，这里简化处理）
        for (auto cmd : onCommands) {
            delete cmd;
        }
        // offCommands中的命令可能与onCommands重复，避免重复释放
        lastCommand = nullptr;
    }
};

// 客户端代码：配置遥控器并使用
int main() {
    // 创建接收者
    Light* livingRoomLight = new Light("客厅");
    TV* livingRoomTV = new TV("客厅");

    // 创建具体命令（绑定接收者）
    Command* lightOn = new LightOnCommand(livingRoomLight);
    Command* lightOff = new LightOffCommand(livingRoomLight);
    Command* tvOn = new TVOnWithChannelCommand(livingRoomTV, 5);

    // 创建调用者（遥控器，2个按钮）
    RemoteControl* remote = new RemoteControl(2);

    // 配置按钮：按钮0控制灯光，按钮1控制电视
    remote->setCommand(0, lightOn, lightOff);
    remote->setCommand(1, tvOn, new LightOffCommand(livingRoomLight)); // 简化：电视关闭复用灯光关闭命令

    // 操作遥控器
    std::cout << "=== 按下客厅灯光开按钮 ===" << std::endl;
    remote->pressOnButton(0);

    std::cout << "\n=== 按下客厅电视开按钮 ===" << std::endl;
    remote->pressOnButton(1);

    std::cout << "\n=== 按下撤销按钮 ===" << std::endl;
    remote->pressUndoButton();

    std::cout << "\n=== 按下客厅灯光关按钮 ===" << std::endl;
    remote->pressOffButton(0);

    std::cout << "\n=== 按下撤销按钮 ===" << std::endl;
    remote->pressUndoButton();

    // 释放资源
    delete remote;
    delete livingRoomTV;
    delete livingRoomLight;

    return 0;
}

三、代码解析

  1. 接收者（Receiver）：

    • Light和TV是具体的家电，包含实际的业务逻辑（on()、off()等），它们不知道命令的存在，只负责执行具体操作。

  2. 抽象命令（Command） ：

    定义了execute()（执行）和undo()（撤销）接口，所有具体命令都需实现这两个方法。

  3. 具体命令（ConcreteCommand）：

    • 每个命令绑定一个接收者（如LightOnCommand绑定Light），在execute()中调用接收者的对应方法（如light->on()）。
    • undo()方法实现与execute()相反的操作（如开灯的撤销是关灯），对于复杂命令（如TVOnWithChannelCommand），需要记录执行前的状态（如之前的频道）用于恢复。

  4. 调用者（Invoker） ：
    RemoteControl（遥控器）持有多个命令对象，提供按钮操作接口（pressOnButton()、pressUndoButton()），通过调用命令的execute()或undo()完成操作，无需知道具体的接收者和执行细节。

  5. 空命令（NoCommand） ：

    作为默认命令初始化遥控器按钮，避免空指针异常，体现了"null对象模式"的思想。

  6. 客户端使用 ：

    客户端负责创建接收者、命令和调用者，将命令绑定到调用者的按钮上，最终通过调用者触发命令执行。

四、核心优势与适用场景

优势
  1. 解耦发送者与接收者：调用者无需知道接收者的具体类型和操作细节，只需通过命令对象交互。
  2. 支持命令队列和日志：命令对象可被存储在队列中批量执行，或记录到日志中实现故障恢复（如数据库事务日志）。
  3. 支持撤销/重做 ：通过undo()和redo()方法，可实现操作的撤销和重复执行（需记录命令历史）。
  4. 易于扩展 ：新增命令只需实现Command接口，无需修改现有调用者和接收者（符合开闭原则）。
  5. 参数化操作 ：可通过命令对象传递参数（如TVOnWithChannelCommand中的频道），使操作更灵活。
适用场景
  1. 需要抽象出操作并参数化：如GUI中的菜单操作、遥控器按钮、数据库事务。
  2. 需要支持撤销/重做：如文本编辑器的撤销功能、绘图软件的操作回退。
  3. 需要将操作队列化或日志化：如任务调度系统、命令批处理、操作日志记录。
  4. 需要解耦请求发送者和接收者：如分布式系统中的命令分发、中间件的事件处理。

五、与其他模式的区别

模式 核心差异点
命令模式 将请求封装为对象，支持队列、日志、撤销，强调"请求的封装与管理"。
职责链模式 请求沿链传递，由第一个能处理的对象处理，强调"请求的分发与传递"。
策略模式 封装算法家族，使算法可动态替换，强调"算法的选择与切换"。
观察者模式 一个对象改变时通知多个观察者，强调"一对多的依赖关系与事件通知"。

六、实践建议

  1. 设计完善的撤销机制 ：对于需要撤销的命令，确保undo()方法能准确恢复到执行前的状态，必要时在execute()中记录历史状态。
  2. 使用空命令避免空指针 ：如示例中的NoCommand，简化调用者的空判断逻辑。
  3. 合理管理命令生命周期：命令对象可能被长期存储（如日志），需注意内存管理，避免资源泄漏。
  4. 结合备忘录模式 ：对于复杂状态的撤销，可在命令中使用备忘录模式存储对象状态，简化undo()实现。

命令模式的核心价值在于"将请求标准化、对象化"，通过命令对象实现了请求发送与执行的解耦，同时为复杂操作管理（如队列、日志、撤销）提供了灵活的解决方案。在需要对操作进行抽象、扩展和精细化管理的场景中，命令模式是一种非常有效的设计选择。

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