C++常用设计模式

程序员zgh2025-12-19 9:50

前言：C++代码设计模式总共有23种，分为创建型模式、结构型模式和行为模式。本文针对常用的单例模式、简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式进行介绍。

目录

一、为什么需要设计模式

二、单例模式

三、简单工厂模式

四、工厂方法模式

五、抽象工厂模式

一、为什么需要设计模式

C++ 需要设计模式，核心是解决其面向对象编程（OOP）的痛点、适配底层开发场景，同时弥补语言原生特性的不足。

设计模式为 C++ 提供了 "标准化的解决方案"，让代码从 "随意写" 变成 "按规则写"，提升了C++代码的工程化能力。

二、单例模式

1）定义 ：保证一个类仅有一个实例，并对外提供一个全局访问点来访问这个实例

2）目的：解决 "对象重复创建" 问题，尤其适用于管理唯一的硬件资源（如 MCU 的时钟模块）

3）优缺点 ：优点是 省资源；全局访问，使用方便。缺点是 无法扩展（违背"开闭原则"（可参考SOLID软件设计原则 解析-CSDN博客））；耦合度高；全局访问，大大增加了出错的概率。

4）C++示例：

饿汉式单例：

饿汉式在程序启动时（静态变量初始化阶段）就创建实例，天生线程安全，但可能会造成资源浪费（如果实例从未被使用）。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

class SingletonHungry {
private:
    // 私有构造函数：禁止外部创建对象
    SingletonHungry() {
        std::cout << "饿汉式单例构造" << std::endl;
    }

    // 禁用拷贝构造和赋值运算符：防止实例被复制
    SingletonHungry(const SingletonHungry&) = delete;
    SingletonHungry& operator=(const SingletonHungry&) = delete;

    // 静态成员变量：程序启动时初始化（全局区）
    static SingletonHungry instance;

public:
    // 全局访问点：返回唯一实例
    static SingletonHungry& getInstance() {
        return instance;
    }

    // 测试方法
    void doSomething() {
        std::cout << "饿汉式单例执行操作" << std::endl;
    }
};

// 静态成员变量初始化（类外定义）
SingletonHungry SingletonHungry::instance;

// 测试
int main() {
    // 获取实例并调用方法
    SingletonHungry& s1 = SingletonHungry::getInstance();
    SingletonHungry& s2 = SingletonHungry::getInstance();

    // 验证是否是同一个实例（地址相同）
    std::cout << "s1 地址: " << &s1 << std::endl;
    std::cout << "s2 地址: " << &s2 << std::endl;

    s1.doSomething();
    return 0;
}

懒汉式单例：

懒汉式是按需初始化 （第一次调用**getInstance()**时创建实例），C++11 及以上版本中，局部静态变量的初始化是线程安全的，这是最简洁且推荐的写法。

cpp 复制代码 
#include <iostream>

class SingletonLazy {
private:
    // 私有构造函数
    SingletonLazy() {
        std::cout << "懒汉式单例构造" << std::endl;
    }

    // 禁用拷贝和赋值
    SingletonLazy(const SingletonLazy&) = delete;
    SingletonLazy& operator=(const SingletonLazy&) = delete;

public:
    // 全局访问点：局部静态变量（C++11 线程安全）
    static SingletonLazy& getInstance() {
        static SingletonLazy instance; // 第一次调用时初始化，仅初始化一次
        return instance;
    }

    // 测试方法
    void doSomething() {
        std::cout << "懒汉式单例执行操作" << std::endl;
    }

    // 析构函数（可选，用于验证析构时机）
    ~SingletonLazy() {
        std::cout << "懒汉式单例析构" << std::endl;
    }
};

// 测试
int main() {
    // 第一次调用：创建实例
    SingletonLazy& s1 = SingletonLazy::getInstance();
    // 第二次调用：返回已创建的实例
    SingletonLazy& s2 = SingletonLazy::getInstance();

    std::cout << "s1 地址: " << &s1 << std::endl;
    std::cout << "s2 地址: " << &s2 << std::endl;

    s1.doSomething();
    return 0;
}

三、简单工厂模式

1）定义 ：一个工厂类根据传入的参数，动态创建不同的产品类实例（产品类需继承同一个抽象类 / 接口）。

2）目的 ：将 "对象创建逻辑" 和 "业务逻辑" 分离，避免在业务代码中直接new不同的产品对象。

3）优缺点 ：优点是 简化对象创建，产品创建与业务逻辑解耦。缺点是 工厂职责过重；如新增产品需修改代码，违背"开闭原则"（可参考SOLID软件设计原则 解析-CSDN博客）。

4）C++示例：

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

// 抽象产品：图形
class Shape {
public:
    virtual void draw() const = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

// 具体产品：圆形/矩形
class Circle : public Shape {
public:
    void draw() const override { std::cout << "绘制圆形" << std::endl; }
};
class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() const override { std::cout << "绘制矩形" << std::endl; }
};

// 简单工厂：一个工厂创建所有产品
class ShapeFactory {
public:
    static std::unique_ptr<Shape> createShape(const std::string& type) {
        if (type == "circle") return std::make_unique<Circle>();
        if (type == "rectangle") return std::make_unique<Rectangle>();
        return nullptr;
    }
};

// 测试
int main_simple_factory() {
    auto circle = ShapeFactory::createShape("circle");
    if (circle) circle->draw(); // 输出：绘制圆形
    auto rect = ShapeFactory::createShape("rectangle");
    if (rect) rect->draw();     // 输出：绘制矩形
    return 0;
}

四、工厂方法模式

1）定义 ：将 "产品创建" 延迟到具体工厂子类中，每个产品对应一个工厂子类，核心工厂类只定义创建产品的接口。

2）目的：解决简单工厂 "修改工厂代码" 的问题，新增产品只需新增工厂子类。

3）优缺点：优点是 符合 "开闭原则"，便于维护。缺点是 逻辑较复杂；类数量翻倍（产品+工厂），占用更多内存。

4）C++示例：

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

// 抽象产品：图形
class Shape {
public:
    virtual void draw() const = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

// 具体产品：圆形/矩形
class Circle : public Shape {
public:
    void draw() const override { std::cout << "绘制圆形" << std::endl; }
};
class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() const override { std::cout << "绘制矩形" << std::endl; }
};

// 抽象工厂：图形工厂
class ShapeFactory {
public:
    virtual std::unique_ptr<Shape> createShape() const = 0;
    virtual ~ShapeFactory() = default;
};

// 具体工厂：圆形工厂/矩形工厂
class CircleFactory : public ShapeFactory {
public:
    std::unique_ptr<Shape> createShape() const override {
        return std::make_unique<Circle>();
    }
};
class RectangleFactory : public ShapeFactory {
public:
    std::unique_ptr<Shape> createShape() const override {
        return std::make_unique<Rectangle>();
    }
};

// 测试
int main_factory_method() {
    std::unique_ptr<ShapeFactory> circleFactory = std::make_unique<CircleFactory>();
    auto circle = circleFactory->createShape();
    circle->draw(); // 输出：绘制圆形

    std::unique_ptr<ShapeFactory> rectFactory = std::make_unique<RectangleFactory>();
    auto rect = rectFactory->createShape();
    rect->draw();   // 输出：绘制矩形
    return 0;
}

五、抽象工厂模式

1）定义 ：创建一系列相关 / 依赖 的**"产品族"**，而不指定具体类。

2）目的 ：解决**"产品族"**的创建问题，保证同一产品族的组件能兼容使用。

3）优缺点：优点是 产品族内组件兼容；扩展性强。缺点是 最复杂的工厂模式，类数量多，占用内存大。

4）C++示例：

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

// 抽象产品1：手机
class Phone {
public:
    virtual void call() const = 0;
    virtual ~Phone() = default;
};
// 具体产品1：小米手机/华为手机
class XiaomiPhone : public Phone {
public:
    void call() const override { std::cout << "用小米手机打电话" << std::endl; }
};
class HuaweiPhone : public Phone {
public:
    void call() const override { std::cout << "用华为手机打电话" << std::endl; }
};

// 抽象产品2：路由器
class Router {
public:
    virtual void connect() const = 0;
    virtual ~Router() = default;
};
// 具体产品2：小米路由器/华为路由器
class XiaomiRouter : public Router {
public:
    void connect() const override { std::cout << "连接小米路由器" << std::endl; }
};
class HuaweiRouter : public Router {
public:
    void connect() const override { std::cout << "连接华为路由器" << std::endl; }
};

// 抽象工厂：电子设备工厂（生产手机+路由器）
class ElectronicFactory {
public:
    virtual std::unique_ptr<Phone> createPhone() const = 0;
    virtual std::unique_ptr<Router> createRouter() const = 0;
    virtual ~ElectronicFactory() = default;
};

// 具体工厂：小米工厂/华为工厂（生产对应品牌的产品族）
class XiaomiFactory : public ElectronicFactory {
public:
    std::unique_ptr<Phone> createPhone() const override {
        return std::make_unique<XiaomiPhone>();
    }
    std::unique_ptr<Router> createRouter() const override {
        return std::make_unique<XiaomiRouter>();
    }
};
class HuaweiFactory : public ElectronicFactory {
public:
    std::unique_ptr<Phone> createPhone() const override {
        return std::make_unique<HuaweiPhone>();
    }
    std::unique_ptr<Router> createRouter() const override {
        return std::make_unique<HuaweiRouter>();
    }
};

// 测试
int main_abstract_factory() {
    // 小米工厂生产小米产品族
    std::unique_ptr<ElectronicFactory> xiaomiFactory = std::make_unique<XiaomiFactory>();
    auto xiaomiPhone = xiaomiFactory->createPhone();
    auto xiaomiRouter = xiaomiFactory->createRouter();
    xiaomiPhone->call();    // 输出：用小米手机打电话
    xiaomiRouter->connect();// 输出：连接小米路由器

    // 华为工厂生产华为产品族
    std::unique_ptr<ElectronicFactory> huaweiFactory = std::make_unique<HuaweiFactory>();
    auto huaweiPhone = huaweiFactory->createPhone();
    auto huaweiRouter = huaweiFactory->createRouter();
    huaweiPhone->call();    // 输出：用华为手机打电话
    huaweiRouter->connect();// 输出：连接华为路由器
    return 0;
}
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