C++常用设计模式

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）。

#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。

#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：

#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：

#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：

#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; }