设计模式 —— 装饰器模式

设计模式 —— 装饰器模式

  • 什么是装饰器模式
    • 通俗解释
  • Component（组件接口）
  • ConcreteComponent（具体组件）
  • Decorator（装饰器接口）
  • ConcreteDecorator（具体装饰器）
  • 装饰器模式优缺点
      • 优点
      • 缺点

今天我们来看一个新的设计模式——装饰器模式。

什么是装饰器模式

装饰器模式（Decorator Pattern）是一种设计模式，属于结构型模式的范畴。它的主要目的是动态地给一个对象添加额外的职责（功能），而不需要修改该对象的结构。装饰器模式通过创建包装对象来包裹原始对象，这些包装对象提供了与原始对象相同的接口，但可以在调用前后添加新的处理或责任。

装饰器模式的组成部分包括：

  1. Component（组件接口）：定义了所有对象共有的操作接口，无论是装饰器还是被装饰的对象都要实现这个接口。
  2. ConcreteComponent（具体组件）：实现了Component接口的具体对象，也就是被装饰的原始对象。
  3. Decorator（装饰器抽象类）：持有Component的引用，定义了与Component接口一致的抽象操作，这样装饰器就可以替代被装饰对象。同时，装饰器抽象类提供了一个构造方法，用于传入被装饰的对象。
  4. ConcreteDecorator（具体装饰器）：实现了装饰器抽象类，负责具体的装饰逻辑，可以添加额外的职责或行为。

装饰器模式的优势：

  • 灵活性：可以在运行时动态地添加或移除对象的功能，而无需修改对象的代码。
  • 遵循开放封闭原则：对扩展开放（可以轻松添加新的装饰器），对修改封闭（不需要改变现有的组件代码）。
  • 重用性：装饰器可以复用，而且可以组合使用，通过不同的装饰器组合来创造复杂的对象行为。
  • 替代继承：相比多层继承，装饰器模式提供了更灵活的替代方案来扩展功能，减少了类的复杂度。

使用场景：

  • 需要动态、透明地给对象增加职责时。
  • 当不能采用继承达到扩展目的，或者采用继承会导致类爆炸时（继承层次过深或过多）。
  • 当需要为对象添加职责，但又不想硬编码到对象中时，以保持对象的可复用性。

通俗解释

想象一下你去一家咖啡店买咖啡。基础的咖啡就像是一杯简单的美式，没有任何额外添加。装饰器模式就像是在咖啡店中添加调料的过程。

  • 基础咖啡就像是装饰器模式中的“被装饰的对象”，就是那个最原始、最基本的东西，比如一杯纯咖啡。
  • 装饰器则是那些可以往咖啡里加的东西，比如牛奶、糖、巧克力粉等。每个装饰器都围绕着“咖啡”这个核心，你可以选择添加一个或多个装饰器来定制你的咖啡。

在程序里，如果我们要给一个功能（比如基础的“打印日志”功能）增加新能力，比如添加时间戳、或者改变字体颜色，而不改变原本的“打印日志”代码，就可以用装饰器模式。就像是给咖啡加糖不改变咖啡本质，但让咖啡变甜了一样。

所以，装饰器模式就是一种设计方法，它允许我们在不修改原始对象的基础上，通过添加一层层“装饰”（附加功能）来扩展对象的功能，就像你点咖啡时一层层添加各种调料，却还是那杯咖啡，只是功能（味道）更丰富了。

Component（组件接口）

我们这里以咖啡举例，首先我们要完成一个基础的接口：

class CoffeeBase
{
public:// 声明为纯虚函数，要求任何继承此类的子类必须实现该函数// 获取咖啡的描述信息，如名称、口味等virtual std::string getDescription() const = 0;// 声明为纯虚函数，要求任何继承此类的子类必须实现该函数// 返回咖啡的成本价格virtual double getCost() const = 0;// 虚析构函数的声明，确保通过基类指针或引用来删除派生类对象时，// 能够正确调用到派生类的析构函数，防止资源泄露virtual ~CoffeeBase();
};// 虚析构函数的定义，这里是一个空的实现
// 对于基类CoffeeBase来说，可能不需要在析构函数中执行具体操作，
// 但定义它是必要的，尤其是在有多态使用场景下，确保析构链的完整
CoffeeBase::~CoffeeBase() {}

ConcreteComponent（具体组件）

我们提供一个具体组件，SimpleCoffee：

// 简单coffee类，继承自CoffeeBase基类
class SimpleCoffee : public CoffeeBase
{
public:// 重写从基类CoffeeBase继承的getDescription函数// 此函数返回一个描述简单咖啡的字符串，这里是"This is a simple coffee"std::string getDescription() const override{return "This is a simple coffee";}// 重写从基类CoffeeBase继承的getCost函数// 此函数返回简单咖啡的成本价格，设定为5.0元double getCost() const override{return 5.0;}
};

Decorator（装饰器接口）

我们还要实现一个装饰器接口：

// 装饰器基类，继承自CoffeeBase，用于给咖啡添加额外功能或装饰
class CoffeeDecorator : public CoffeeBase
{
protected:// 持有一个指向CoffeeBase的指针，用于存储被装饰的咖啡对象CoffeeBase* baseDecorator;public:// 构造函数，接收一个CoffeeBase类型的指针作为参数// 这个参数实际上是被装饰的基础咖啡实例CoffeeDecorator(CoffeeBase* coffee): baseDecorator(coffee) // 初始化baseDecorator指向传入的coffee{// 构造函数体为空，初始化已经在成员初始化列表中完成}// 重写getDescription函数，委托给被装饰的CoffeeBase对象来获取描述// 这样可以保证装饰后的咖啡描述首先展示的是原始咖啡的信息std::string getDescription() const override{return baseDecorator->getDescription();}// 重写getCost函数，同样委托给被装饰的CoffeeBase对象来计算成本// 使得装饰过程不影响原始咖啡成本的计算，装饰器类可在此基础上累加额外成本double getCost() const override{return baseDecorator->getCost();}
};

ConcreteDecorator（具体装饰器）

具体装饰器实现具体的功能：

// 实现加牛奶的装饰器，继承自CoffeeDecorator
class MilkAdd : public CoffeeDecorator
{
public:// 构造函数，接收一个CoffeeBase类型的指针，用于装饰的原始咖啡MilkAdd(CoffeeBase* coffee): CoffeeDecorator(coffee) // 通过基类构造函数初始化基类部分，传入被装饰的咖啡实例{// 构造函数体为空，因为初始化已经在成员初始化列表中完成}// 重写getDescription函数，在原有咖啡描述后添加" Milk"// 表示这杯咖啡添加了牛奶std::string getDescription() const override{return baseDecorator->getDescription() + " Milk";}// 重写getCost函数，在原有咖啡成本基础上增加3元// 代表添加牛奶的服务费用double getCost() const override{return baseDecorator->getCost() + 3;}
};// 实现加糖的装饰器，同样继承自CoffeeDecorator
class SugarAdd : public CoffeeDecorator
{
public:// 构造函数，接收一个CoffeeBase类型的指针，即要装饰的咖啡SugarAdd(CoffeeBase* coffee): CoffeeDecorator(coffee) // 通过基类构造函数初始化，传入被装饰的咖啡实例{// 构造函数体为空}// 重写getDescription函数，在原有咖啡描述后追加" Sugar"// 表明这杯咖啡添加了糖std::string getDescription() const override{return baseDecorator->getDescription() + " Sugar";}// 重写getCost函数，在原有咖啡成本上增加2元// 代表加糖的额外费用double getCost() const override{return baseDecorator->getCost() + 2;}
};

我们可以一一对应：

这段代码展示了装饰器模式的各个组成部分，具体如下：

  1. Component（组件接口）：在这个例子中，CoffeeBase类扮演了组件接口的角色。它定义了一个咖啡对象的基本操作接口，包括getDescription()用于获取咖啡的描述和getCost()用于获取成本价格，还有一个虚析构函数确保通过基类指针可以安全地删除派生类对象。
  2. ConcreteComponent（具体组件）：SimpleCoffee类是CoffeeBase的子类，代表了具体组件。它实现了getDescription()和getCost()，提供了基础咖啡的描述和成本。
  3. Decorator（装饰器接口）：虽然在这个实现中没有显式定义一个独立的装饰器接口类，但CoffeeDecorator类实际上承担了装饰器接口的角色。它继承自CoffeeBase，并持有一个CoffeeBase* baseDecorator指针，通过这个指针调用基础咖啡的操作，同时定义了与CoffeeBase相同的接口方法，允许装饰器可以像咖啡一样被操作。
  4. ConcreteDecorator（具体装饰器）：MilkAdd和SugarAdd类是具体的装饰器类，它们继承自CoffeeDecorator。每个装饰器类都在其getDescription()和getCost()方法中添加了额外的功能（例如价格和描述中的" Milk"或" Sugar"），同时调用基类的相应方法以保持原有的功能，体现了装饰器模式的“叠加”特性。

这是整体的代码：

// 使用#pragma once指令防止头文件被多次包含
#pragma once// 引入iostream和string头文件，以便进行输入输出和字符串操作
#include <iostream>
#include <string>// 定义咖啡基础接口类，所有的咖啡类型都需要实现这个接口
class CoffeeBase
{
public:// 纯虚函数，获取咖啡的描述信息，子类必须实现virtual std::string getDescription() const = 0;// 纯虚函数，获取咖啡的成本价格，子类必须实现virtual double getCost() const = 0;// 虚析构函数，确保通过基类指针可以正确删除派生类对象virtual ~CoffeeBase();
};// 基类CoffeeBase的析构函数定义
CoffeeBase::~CoffeeBase() {}// 简单咖啡类，实现CoffeeBase接口，代表不加任何调料的原始咖啡
class SimpleCoffee : public CoffeeBase
{
public:// 重写getDescription函数，返回简单咖啡的描述信息std::string getDescription() const override{return "This is a simple coffee";}// 重写getCost函数，返回简单咖啡的成本价格double getCost() const override{return 5.0;}
};// 装饰器基类，继承自CoffeeBase，用于给咖啡添加额外属性或装饰
class CoffeeDecorator : public CoffeeBase
{
protected:// 持有一个指向CoffeeBase的指针，用于存储被装饰的咖啡实例CoffeeBase* baseDecorator;public:// 构造函数，接受一个CoffeeBase指针，初始化被装饰的咖啡对象CoffeeDecorator(CoffeeBase* coffee):baseDecorator(coffee){}// 重写getDescription函数，调用被装饰咖啡的getDescriptionstd::string getDescription() const override{return baseDecorator->getDescription();}// 重写getCost函数，调用被装饰咖啡的getCostdouble getCost() const override{return baseDecorator->getCost();}
};// 牛奶装饰器类，为咖啡添加牛奶
class MilkAdd : public CoffeeDecorator
{
public:// 构造函数，接受一个CoffeeBase指针，用于装饰的咖啡MilkAdd(CoffeeBase* coffee):CoffeeDecorator(coffee){}// 重写getDescription，在原有描述后添加" Milk"std::string getDescription() const override{return baseDecorator->getDescription() + " Milk";}// 重写getCost，在原价基础上增加3元（牛奶费用）double getCost() const override{return baseDecorator->getCost() + 3;}
};// 糖装饰器类，为咖啡添加糖
class SugarAdd : public CoffeeDecorator
{
public:// 构造函数，接受一个CoffeeBase指针，用于装饰的咖啡SugarAdd(CoffeeBase* coffee): CoffeeDecorator(coffee){}// 重写getDescription，在原有描述后添加" Sugar"std::string getDescription() const override{return baseDecorator->getDescription() + " Sugar";}// 重写getCost，在原价基础上增加2元（糖费用）double getCost() const override{return baseDecorator->getCost() + 2;}
};

装饰器模式优缺点

装饰器模式（Decorator Pattern）作为一种常用的设计模式，有其独特的优点和缺点，下面是其主要特点概述：

优点

  1. 灵活性和可扩展性：装饰器模式允许在不修改原有类代码的情况下动态地扩展对象功能，为对象添加新的职责。这使得系统易于扩展，遵循了开闭原则。
  2. 组合模式的替代：相比于通过继承来扩展功能，装饰器模式提供了更灵活的选择，可以避免类层次过深的问题，因为装饰器可以按需叠加，每个装饰器只关注添加单一功能。
  3. 透明性：对于客户端而言，装饰过的对象和未装饰的对象使用方式相同，因为它们都遵循相同的接口。这使得客户端代码可以不关心对象是否被装饰以及如何被装饰，提高了代码的可读性和可维护性。
  4. 重用性：装饰器类可以被多次使用，也可以用来装饰不同的对象，增加了代码的复用性。

缺点

  1. 过度使用导致复杂性：如果过度使用装饰器，可能会导致系统中有很多细小的装饰器类，这会使得类的结构变得复杂，难以理解与维护。
  2. 调试困难：由于装饰器层层嵌套，当出现错误时，调试和定位问题可能变得较为复杂，特别是当装饰器链很长时。
  3. 性能考量：每添加一个装饰器，就增加了一层间接调用，极端情况下可能会影响执行效率，尽管在大多数现代系统中这通常不是主要问题。
  4. 不易理解：对于不熟悉装饰器模式的新开发者来说，理解装饰器如何运作以及如何正确使用它们可能需要时间。

总的来说，装饰器模式在需要动态、灵活地扩展对象功能的场景下非常有用，但需要权衡其带来的潜在复杂性与维护成本。合理使用可以极大提高软件的可维护性和灵活性。

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