【C++设计模式】命令模式

一、命令模式

所有的设计模式在于不同场景下合理的运用设计模式，接下来介绍一种非常实用的行为型设计模式：命令模式。它使用类封装各个类的行为，将接口统一，这样我们就不用编写复杂的流程控制代码，可以直接基于面向对象的方式开发。

命令模式还有动作模式、事务模式的别名。

这也是行为型设计模式的目标之一：聚焦对象的行为，对象之间如何通信、如何完成自身职责。

简单来说：命令模式就是把操作封装成对象，用来执行动作。可以在面向对象开发中充当回调函数；我们还能把命令对象存入命令队列，尤为适合撤销、重做功能。

在理解本次内容之前，先用一个例子更加深刻了解命令模式。我们经常使用游戏手柄，存在方向控制键、攻击键、跳跃键、拾取键等。这些都是 Command------命令，也就是基类。如果能把所有的动作封装为同一个基类的派生类，所有具体命令继承于基类 Command，例如向左移动只需要操作基类对象，X 跳跃键也只需要操作 Command 基类即可，不需要关心具体哪一条指令。举代码示意：X 可以赋值为某命令对象，比如跳跃指令。这套方案的强大之处：行为全部封装成对象，可以灵活控制。

例如可以调用 x.Execute()，Execute 就是命令基类的成员函数，所有命令都必须实现 execute 方法。这里用到 virtual void 函数 = 0 代表纯虚函数，派生类强制实现，也就是：JumpCommand（跳跃命令）必须重写 Execute，其他命令也如此。

这套模式的另一个优势：命令对象可以延迟执行，管控执行时机。按下 X 时，可以立即执行跳跃，也可以先缓存指令延后执行。可以用容器存放多条命令：命令 1、命令 2、命令 3......，存储容器可以选用队列、栈。C++ 中 vector 常用存储命令指针（需要管理生命周期，防止内存泄露），遍历容器，依次调用每条命令的 execute。

除了 execute，还可以添加 undo 撤销功能，用来回滚操作。我们遍历存放命令的容器，不仅可以批量执行，也可以批量撤销。撤销逻辑由开发者定义：跳跃的撤销可以是回到起跳前坐标；文字编辑器删除文本后，撤销就是恢复被删除的文字。

整套命令执行记录构成操作历史，放在容器中。

二、代码编写

我们先要统一抽象接口，定义一个Command类，当按下游戏手柄的跳跃键，可以立即执行该动作，也可以按下撤销，回退上一次动作。因此我们要抽象出两个接口，接口都是在操作对象的行为，因此还要传入对象的引用来指定哪一个对象执行什么动作

cpp 复制代码

class Command
{
public:
    Command() {}
    virtual ~Command() {}
    virtual void Execute(Character&) = 0; // 定义纯虚函数,所有派生类都要实现
    virtual void Undo(Character&) = 0;    // 撤销
};

对象类的设计使用结构体，默认是public。此外还要有角色名称，位置坐标等属性。定义角色本身具有移动属性，可以执行对应的动作。Move是指令-由外部下达，move是具体动作的执行。并且对于经常调用的行为放在Character里较好

cpp 复制代码

struct Character
{
    Character(std::string _name):name(_name), x(0), y(0){}
    void move(int _x, int _y) { x = _x; y = _y; }

    int x;
    int y;
    std::string name;
};

派生类Move指令公有继承基类Command，由基类定义可得派生类必须实现Execute函数和Undo撤销函数。并且在Move之前还需要保存原始坐标位置，用来Undo，这两个功能的实现都需要调用character对象内部的move函数

cpp 复制代码

class Move : public Command
{
public:
    void Execute(Character& c)
    {
        oldx = c.x, oldy = c.y;
        int newx = rand() % 4, newy = rand() % 4;
        c.move(newx, newy);
        printf("%s moved, x = %d, y = %d\n", c.name.c_str(), c.x, c.y);
    }
    void Undo(Character& c)
    {
        c.move(oldx, oldy);
        printf("%s undo , x = %d, y = %d\n", c.name.c_str(), c.x, c.y);
    }
private:
    int oldx;
    int oldy;
};

主函数需要定义命令队列，用来存储历史动作的智能指针，用于后续的撤销。使用智能指针防止内存泄露。vector中传入的派生类Move匿名对象的智能指针
后续execute时，因为传入的是Move的指针，所以直接调用execute方法是对传入的对象执行Move
如果还有Jump类，可以增加三维坐标。只是后续传入vector中的是Jump的指针，也通过直接调用execute方法执行jump动作，所以命令模式具有统一接口的功能

cpp 复制代码

int main()
{
    srand(time(nullptr));
    Character lio("lio");

    vector<unique_ptr<Command>> command_queue;
    
    command_queue.push_back(make_unique<Move>());
    command_queue.push_back(make_unique<Move>());
    command_queue.push_back(make_unique<Move>());
    command_queue.push_back(make_unique<Move>());

    for(auto &m : command_queue)
    {
        m->Execute(lio);
    }
    for(int i=command_queue.size()-1; i>=0 ; i--)
    {
        command_queue[i]->Undo(lio);
    }
    return 0;
}

完整代码

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <memory>

using namespace std;

struct Character
{
    Character(std::string _name):name(_name), x(0), y(0){}
    void move(int _x, int _y) { x = _x; y = _y; }

    int x;
    int y;
    std::string name;
};

class Command
{
public:
    Command() {}
    virtual ~Command() {}
    virtual void Execute(Character&) = 0; // 定义纯虚函数,所有派生类都要实现
    virtual void Undo(Character&) = 0;    // 撤销
};

class Move : public Command
{
public:
    void Execute(Character& c)
    {
        oldx = c.x, oldy = c.y;
        int newx = rand() % 4, newy = rand() % 4;
        c.move(newx, newy);
        printf("%s moved, x = %d, y = %d\n", c.name.c_str(), c.x, c.y);
    }
    void Undo(Character& c)
    {
        c.move(oldx, oldy);
        printf("%s undo , x = %d, y = %d\n", c.name.c_str(), c.x, c.y);
    }
private:
    int oldx;
    int oldy;
};


int main()
{
    srand(time(nullptr));
    Character lio("lio");

    vector<unique_ptr<Command>> command_queue;
    
    command_queue.push_back(make_unique<Move>());
    command_queue.push_back(make_unique<Move>());
    command_queue.push_back(make_unique<Move>());
    command_queue.push_back(make_unique<Move>());

    for(auto &m : command_queue)
    {
        m->Execute(lio);
    }
    for(int i=command_queue.size()-1; i>=0 ; i--)
    {
        command_queue[i]->Undo(lio);
    }
    return 0;
}

三、可能出现的问题

如果在栈上创建Move对象，存入vector会报错，应该用new创建命令对象存入容器，手动new后需要delete释放内存

基类抽象接口参数和派生类接口参数必须一致

抽象类不允许实例化
unique_ptr只能移动不能复制

解决：