C++设计模式之行为型模式：访问者模式（Visitor）

bkspiderx2025-10-19 9:41

访问者模式（Visitor）是行为型设计模式的一种，它允许你在不修改现有类的前提下，为类层次结构中的元素添加新的操作。这种模式通过将操作逻辑与元素类分离，实现了操作的灵活扩展，特别适合处理具有固定结构但需要频繁添加新操作的对象集合。

一、核心思想与角色

访问者模式的核心是"分离数据结构与操作"，通过引入访问者对象封装对元素的操作，使操作可以独立于元素类变化。其核心角色如下：

角色名称 核心职责
抽象访问者（Visitor） 定义对每个具体元素类的访问接口，接口名与元素类对应（如visit(ElementA*)）。
具体访问者（ConcreteVisitor） 实现抽象访问者接口，包含对每个元素的具体操作逻辑。
抽象元素（Element） 声明接受访问者的方法（accept(Visitor*)），该方法将访问者传入自身。
具体元素（ConcreteElement） 实现accept()方法，调用访问者对应的访问方法（如visitor->visit(this)）。
对象结构（ObjectStructure） 存储元素集合，提供遍历元素的方法，通常会迭代调用元素的accept()方法。

核心思想 ：元素通过accept()方法主动接受访问者的访问，访问者根据元素类型调用对应的visit()方法，从而实现对不同元素的差异化操作，且操作逻辑与元素类解耦。

二、实现示例（文档元素处理）

假设我们需要设计一个文档处理系统，文档中包含文本（Text）、图片（Image）和表格（Table）三种元素。系统需要支持多种操作：提取文本内容、计算元素数量、生成预览。使用访问者模式可在不修改元素类的情况下，灵活添加这些操作：

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

// 前向声明元素类
class Text;
class Image;
class Table;

// 1. 抽象访问者
class Visitor {
public:
    // 声明对每种元素的访问方法
    virtual void visit(Text* text) = 0;
    virtual void visit(Image* image) = 0;
    virtual void visit(Table* table) = 0;
    virtual ~Visitor() = default;
};

// 2. 抽象元素
class Element {
public:
    // 接受访问者访问
    virtual void accept(Visitor* visitor) = 0;
    virtual ~Element() = default;
};

// 3. 具体元素1：文本
class Text : public Element {
private:
    std::string content; // 文本内容

public:
    Text(const std::string& cnt) : content(cnt) {}

    // 获取文本内容（供访问者使用）
    std::string getContent() const { return content; }

    // 接受访问：调用访问者的对应方法
    void accept(Visitor* visitor) override {
        visitor->visit(this);
    }
};

// 3. 具体元素2：图片
class Image : public Element {
private:
    std::string url;    // 图片URL
    int width;          // 宽度
    int height;         // 高度

public:
    Image(const std::string& u, int w, int h) 
        : url(u), width(w), height(h) {}

    std::string getUrl() const { return url; }
    int getWidth() const { return width; }
    int getHeight() const { return height; }

    void accept(Visitor* visitor) override {
        visitor->visit(this);
    }
};

// 3. 具体元素3：表格
class Table : public Element {
private:
    int rows;   // 行数
    int cols;   // 列数

public:
    Table(int r, int c) : rows(r), cols(c) {}

    int getRows() const { return rows; }
    int getCols() const { return cols; }

    void accept(Visitor* visitor) override {
        visitor->visit(this);
    }
};

// 4. 具体访问者1：提取文本内容
class TextExtractionVisitor : public Visitor {
private:
    std::string extractedText;

public:
    void visit(Text* text) override {
        // 提取文本内容
        extractedText += text->getContent() + "\n";
    }

    void visit(Image* image) override {
        // 图片无文本，添加占位符
        extractedText += "[图片：" + image->getUrl() + "]\n";
    }

    void visit(Table* table) override {
        // 表格简单描述
        extractedText += "[表格：" + std::to_string(table->getRows()) 
                      + "行" + std::to_string(table->getCols()) + "列]\n";
    }

    // 获取提取的文本
    std::string getResult() const {
        return extractedText;
    }
};

// 4. 具体访问者2：计算元素数量
class CountingVisitor : public Visitor {
private:
    int textCount = 0;
    int imageCount = 0;
    int tableCount = 0;

public:
    void visit(Text* text) override {
        textCount++;
    }

    void visit(Image* image) override {
        imageCount++;
    }

    void visit(Table* table) override {
        tableCount++;
    }

    // 显示统计结果
    void showResult() const {
        std::cout << "元素统计：文本" << textCount 
                  << "个，图片" << imageCount 
                  << "个，表格" << tableCount << "个" << std::endl;
    }
};

// 4. 具体访问者3：生成预览
class PreviewVisitor : public Visitor {
public:
    void visit(Text* text) override {
        std::cout << "预览文本：" << (text->getContent().size() > 20 
            ? text->getContent().substr(0, 20) + "..." 
            : text->getContent()) << std::endl;
    }

    void visit(Image* image) override {
        std::cout << "预览图片：" << image->getUrl() 
                  << " (" << image->getWidth() << "x" << image->getHeight() << ")" << std::endl;
    }

    void visit(Table* table) override {
        std::cout << "预览表格：" << table->getRows() 
                  << "行" << table->getCols() << "列" << std::endl;
    }
};

// 5. 对象结构：文档（管理元素集合）
class Document {
private:
    std::vector<Element*> elements; // 元素列表

public:
    // 添加元素
    void addElement(Element* elem) {
        elements.push_back(elem);
    }

    // 接受访问者：遍历所有元素并调用accept()
    void accept(Visitor* visitor) {
        for (Element* elem : elements) {
            elem->accept(visitor);
        }
    }

    // 析构：释放元素
    ~Document() {
        for (Element* elem : elements) {
            delete elem;
        }
    }
};

// 客户端代码：使用文档处理系统
int main() {
    // 创建文档并添加元素
    Document* doc = new Document();
    doc->addElement(new Text("这是一段文档正文内容，用于演示访问者模式的使用。"));
    doc->addElement(new Image("logo.png", 200, 100));
    doc->addElement(new Table(5, 3));
    doc->addElement(new Text("这是文档的第二段文本，包含更多详细信息。"));
    doc->addElement(new Image("chart.png", 400, 300));

    // 1. 使用文本提取访问者
    std::cout << "=== 文本提取结果 ===" << std::endl;
    TextExtractionVisitor* textExtractor = new TextExtractionVisitor();
    doc->accept(textExtractor);
    std::cout << textExtractor->getResult() << std::endl;

    // 2. 使用计数访问者
    std::cout << "=== 元素统计结果 ===" << std::endl;
    CountingVisitor* counter = new CountingVisitor();
    doc->accept(counter);
    counter->showResult();
    std::cout << std::endl;

    // 3. 使用预览访问者
    std::cout << "=== 元素预览 ===" << std::endl;
    PreviewVisitor* previewer = new PreviewVisitor();
    doc->accept(previewer);

    // 释放资源
    delete previewer;
    delete counter;
    delete textExtractor;
    delete doc;

    return 0;
}

三、代码解析

  1. 抽象访问者（Visitor） ：

    定义了三个visit()方法，分别对应三种具体元素（Text、Image、Table），接口名与元素类型一一对应，确保访问者能处理所有元素。

  2. 抽象元素与具体元素：

    • 抽象元素Element声明accept(Visitor*)方法，是元素接受访问的入口。
    • 具体元素（Text、Image、Table）实现accept()方法，通过调用visitor->visit(this)将自身传递给访问者，触发访问者的对应操作（"双重分派"机制）。
    • 元素类封装自身数据（如Text的content），并提供getter供访问者获取数据。

  3. 具体访问者 ：

    每个访问者实现Visitor接口，针对不同元素提供差异化操作：

    • TextExtractionVisitor：提取文本内容，对图片和表格添加占位描述。
    • CountingVisitor：统计不同类型元素的数量。
    • PreviewVisitor：生成各种元素的预览信息。
      所有操作逻辑都封装在访问者中，元素类无需修改。

  4. 对象结构（Document） ：

    管理元素集合，提供addElement()添加元素和accept()方法遍历所有元素，调用其accept()方法接受访问者访问，简化了客户端对元素集合的操作。

  5. 客户端使用 ：

    客户端创建文档、添加元素，然后创建不同访问者，通过文档的accept()方法让访问者处理所有元素，无需关心元素类型和操作细节。

四、核心优势与适用场景

优势
  1. 操作与元素解耦：新操作只需添加新访问者，无需修改元素类，符合开闭原则。
  2. 集中管理相关操作：同一类操作（如统计、预览）的逻辑集中在一个访问者中，便于维护。
  3. 灵活扩展：可在不影响元素类的前提下，为元素添加任意多的新操作。
  4. 多态处理：通过双重分派（元素类型和访问者类型）实现对不同元素的差异化处理。
适用场景
  1. 元素类结构稳定但操作多变：如文档编辑器（元素固定为文本、图片等，但需要频繁添加导出、统计等操作）。
  2. 需要对集合中不同类型元素执行不同操作：如报表系统中对表格、图表、文本的差异化处理。
  3. 避免在元素类中添加过多操作方法：当元素类不应包含与自身职责无关的操作时（如数据模型类不应包含UI渲染逻辑）。

五、局限性与与其他模式的区别

局限性
  1. 元素类扩展困难：若需新增元素类型（如文档中添加"图表"），所有访问者都需修改以支持新元素，违反开闭原则。
  2. 破坏封装性 ：访问者需获取元素内部状态（通过getter），可能暴露元素的实现细节。
  3. 增加系统复杂度：引入多个访问者和元素类，使系统结构更复杂，理解成本提高。
与其他模式的区别
模式 核心差异点
访问者模式 分离元素与操作，通过访问者为元素添加新操作，强调"操作扩展"。
迭代器模式 提供遍历集合的统一接口，不关注元素操作，强调"遍历逻辑"。
策略模式 封装算法家族，客户端选择算法，不涉及元素类型差异处理。
模板方法 父类定义算法骨架，子类实现步骤，与元素-操作分离无关。

六、实践建议

  1. 适合稳定的元素结构：仅在元素类很少变化，而操作频繁变化时使用访问者模式。
  2. 结合组合模式：当元素具有树形结构（如文档包含章节，章节包含段落），可与组合模式结合，让访问者递归处理整个结构。
  3. 使用接口隔离访问：元素通过接口向访问者暴露必要数据，避免直接暴露私有成员，减少封装性破坏。
  4. 限制访问者数量：过多访问者会导致系统混乱，必要时可按功能划分访问者（如统计类、导出类）。

访问者模式的核心价值在于"在不修改元素的前提下扩展操作"，它通过分离数据结构与操作逻辑，为具有固定结构的对象集合提供了灵活的功能扩展能力。在元素稳定而操作多变的场景中，访问者模式能有效降低代码耦合，提高系统的可维护性。

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