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【读书笔记】《C++ Software Design》第七章：Bridge、Prototype 与 External Polymorphism

backend 2025/7/14 13:03:20

《C++ Software Design》第七章：Bridge、Prototype 与 External Polymorphism

在追求低耦合、高扩展和良好封装的 C++ 软件架构设计中，如何抽象行为、复用结构、隔离模块依赖是关键。《C++ Software Design》第七章聚焦三个模式——Bridge、Prototype 和 External Polymorphism，它们分别解决“实现-接口解耦”、“抽象复制”和“非侵入式运行时多态”三大类问题。

Guideline 28：用 Bridge 模式解除物理依赖

什么是 Bridge 模式？

Bridge 模式的核心思想是将“抽象接口（Abstraction）”与“具体实现（Implementation）”分离，从而使它们可以独立演化。

目的：将接口和实现分离以减少物理依赖、降低构建成本。

UML 示意：

[Abstraction] → [Implementation Interface] ← [ConcreteImplementation]

一个动机示例

假设我们有多个图形类 Shape（如 Circle, Rectangle），它们依赖不同的渲染器（OpenGL、Direct2D）：

class OpenGLRenderer {
public:void drawCircle() { std::cout << "OpenGL Circle\n"; }
};class Circle {OpenGLRenderer* renderer;
public:void draw() {renderer->drawCircle();  // 强耦合！}
};

这使得 Circle 绑定了 OpenGLRenderer，难以扩展或替换。

使用 Bridge 解耦

class Renderer {
public:virtual void drawCircle() = 0;
};class OpenGLRenderer : public Renderer {
public:void drawCircle() override {std::cout << "OpenGL: Circle\n";}
};class Shape {
protected:Renderer* renderer;
public:Shape(Renderer* r) : renderer(r) {}virtual void draw() = 0;
};class Circle : public Shape {
public:using Shape::Shape;void draw() override {renderer->drawCircle();}
};

这样，Shape 和 Renderer 的继承树可独立变化，真正解耦。

Bridge 与 Strategy 的对比

维度	Bridge	Strategy
抽象目的	解耦接口与实现	封装算法的变体
运行时行为	固定组件间协作结构	可动态替换策略
封装粒度	架构级别（模块解耦）	算法级别（行为切换）

Pimpl（Pointer to Implementation）

class Widget {struct Impl;std::unique_ptr<Impl> pImpl;
public:Widget();~Widget();void draw();
};

优点：

隐藏实现细节（API 稳定）
减少头文件依赖
减少编译时间

Bridge 的短板分析

增加间接层次，导致理解和调试复杂性上升
对小型系统或临时原型而言设计成本较高
若实现接口变化频繁，也会影响稳定性

Guideline 29：桥接设计的性能权衡

虽然 Bridge 模式提升了解耦能力，但它也带来了性能成本，特别是在高频调用路径中。

性能影响分析

虚函数调用开销
缓存局部性降低
过度抽象使得优化受限

优化手段：Partial Bridge

将不变部分内联进抽象类，仅对可变部分桥接：

class Renderer {
public:virtual void drawCircle(float radius) = 0;
};class Circle {Renderer* renderer;float radius;
public:void draw() {if (radius > 10) {// Fast path: inline draw logic} else {renderer->drawCircle(radius); // Bridge}}
};

Guideline 30：使用 Prototype 实现抽象复制

Prototype 模式是什么？

当你需要复制未知类型的对象时，不能直接使用复制构造函数或赋值。这时 Prototype 提供了解耦复制的方法。

class Animal {
public:virtual std::unique_ptr<Animal> clone() const = 0;virtual void sound() const = 0;
};class Sheep : public Animal {
public:std::unique_ptr<Animal> clone() const override {return std::make_unique<Sheep>(*this);}void sound() const override {std::cout << "Baaa\n";}
};

与 std::variant 的对比

模式	Prototype	std::variant
类型行为	基于继承和 clone	静态多态（编译时分发）
动态性	高（运行时识别）	低（编译期已知）
类型安全	差（需手动类型管理）	高（类型封装安全）

Prototype 缺点分析

所有子类需实现 clone()，违背开闭原则
容易遗漏深拷贝细节，产生 bug
缺乏语言级支持，机制易错

Guideline 31：External Polymorphism（外部多态）

什么是 External Polymorphism？

传统多态依赖继承与虚函数，但这要求你侵入类定义。External Polymorphism 提供了一种非侵入式运行时多态实现方式。

示例：绘图对象的非侵入式调用

struct Circle {void draw() const {std::cout << "Draw Circle\n";}
};struct Square {void draw() const {std::cout << "Draw Square\n";}
};class Shape {struct Concept {virtual void draw() const = 0;virtual std::unique_ptr<Concept> clone() const = 0;virtual ~Concept() = default;};template<typename T>struct Model : Concept {T data;Model(const T& d) : data(d) {}void draw() const override { data.draw(); }std::unique_ptr<Concept> clone() const override {return std::make_unique<Model<T>>(*this);}};std::unique_ptr<Concept> self;
public:template<typename T>Shape(T obj) : self(std::make_unique<Model<T>>(obj)) {}void draw() const { self->draw(); }
};

特性分析

不依赖虚函数或继承结构
支持任意用户类型，接口透明
可实现“按值”传递的运行时多态

与 Adapter 模式对比

特性	External Polymorphism	Adapter
对象结构	无需继承或接口	通常需目标接口/抽象类
灵活性	高（支持任意类型）	适用于已知接口转换
封装方式	封装在中间结构体（Model）中	封装在 Adapter 类中

缺点分析

实现繁琐（需要手动写 Concept/Model）
性能开销相较虚函数更大
对于移动语义支持较难实现完全泛化

总结对比

模式	核心作用	优点	缺点
Bridge	抽象接口与实现分离	架构解耦、支持独立演化	抽象复杂、增加间接层级
Prototype	抽象复制机制	支持克隆任意派生对象	需手动实现 clone，易出错
External Polym.	非侵入运行时多态	高灵活性、非侵入性	类型擦除实现复杂，运行效率稍低