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【读书笔记】《C++ Software Design》第九章：The Decorator Design Pattern

java 2025/7/14 18:36:23

《C++ Software Design》第九章：The Decorator Design Pattern

在现实系统中，我们常常需要在不修改已有类的前提下，为对象添加新功能——比如增加日志记录、性能度量、缓存行为等等。这种按需叠加式功能扩展是软件工程中典型的需求。

Decorator（装饰器）模式正是为此而生的一种经典结构型设计模式。它提供了一种透明、组合式的方式来增强对象的行为，是继承替代方案中最灵活的一种。

Guideline 35：使用装饰器层次化地扩展功能

可能遇到的问题

假设你负责一个 DataSource 类，有人需要在读取数据时加密，另一个同事希望加上缓存，还有人需要日志跟踪。传统继承方式无法灵活组合这些需求：

class EncryptedDataSource : public DataSource {};
class CachedDataSource : public DataSource {};
class LoggingDataSource : public DataSource {};

那如果有人想要“加密+缓存+日志”呢？就不得不写出一系列组合子类：EncryptedCachedDataSourceWithLogging ……代码膨胀不可避免。

Decorator 模式解释

Decorator 模式通过组合而不是继承，将增强行为附加到已有对象上，并允许以层级结构形式叠加功能。

核心结构：

class DataSource {
public:virtual std::string read() = 0;virtual ~DataSource() = default;
};class FileDataSource : public DataSource {
public:std::string read() override {return "file_data";}
};class DataSourceDecorator : public DataSource {
protected:std::shared_ptr<DataSource> wrappee;
public:DataSourceDecorator(std::shared_ptr<DataSource> src) : wrappee(std::move(src)) {}
};class LoggingDecorator : public DataSourceDecorator {
public:using DataSourceDecorator::DataSourceDecorator;std::string read() override {std::cout << "[LOG] Reading data\n";return wrappee->read();}
};class CachingDecorator : public DataSourceDecorator {std::string cachedData;
public:using DataSourceDecorator::DataSourceDecorator;std::string read() override {if (cachedData.empty()) {cachedData = wrappee->read();}return cachedData;}
};

使用方式：

auto src = std::make_shared<FileDataSource>();
auto cached = std::make_shared<CachingDecorator>(src);
auto logged = std::make_shared<LoggingDecorator>(cached);std::string data = logged->read();

你可以任意组合装饰器而不改变底层类。

第二个例子：装饰图形对象

class Shape {
public:virtual void draw() const = 0;
};class Circle : public Shape {
public:void draw() const override {std::cout << "Drawing Circle\n";}
};class ColorDecorator : public Shape {std::shared_ptr<Shape> shape;std::string color;
public:ColorDecorator(std::shared_ptr<Shape> s, std::string c): shape(std::move(s)), color(std::move(c)) {}void draw() const override {shape->draw();std::cout << "With color: " << color << "\n";}
};

Decorator vs Adapter vs Strategy

模式	作用	是否替代接口	是否组合行为	使用粒度
Decorator	添加可选功能	否	是	实例
Adapter	转换接口	是	否	类/接口
Strategy	替换算法	是	否	类

Decorator 最大的特点是“功能增强叠加而非行为切换”。

Decorator 的短板分析

对于每个功能点都需一个子类，复杂度线性增长
不适合替换核心行为，只适合“附加行为”
调试时可能形成长链，调试栈难以定位
默认实现为运行时结构，可能存在虚函数调用开销

Guideline 36：理解运行时与编译时抽象的权衡

C++ 作为静态类型语言，其类型系统可在编译期执行许多抽象操作。Decorator 模式既可在运行时组合（如上所示），也可借助模板系统在编译期静态组合，从而实现零开销的增强。

编译时 Decorator：值语义的组合

通过模板类嵌套实现组合行为：

template <typename Base>
class LoggingDecorator {
public:Base base;void run() {std::cout << "[LOG] Before\n";base.run();std::cout << "[LOG] After\n";}
};class Task {
public:void run() {std::cout << "Running task\n";}
};

使用：

LoggingDecorator<Task> task;
task.run();

特点：

零运行时开销（无虚函数）
组合发生在编译期
更易内联优化

运行时 Decorator：基于值语义封装

可用 std::function 或类型擦除实现值类型的 runtime decorator：

std::function<void()> f = [] {std::cout << "Real task\n";
};std::function<void()> logWrapper = [f]() {std::cout << "[LOG] Start\n";f();std::cout << "[LOG] End\n";
};logWrapper();

适用于任务调度、管线执行等异步场景。

对比分析

特性	编译时 Decorator	运行时 Decorator
性能	高（无虚调用）	中等（虚调用或类型擦除）
灵活性	差（必须编译期组合）	高（运行时可决定组合）
可维护性	中（模板膨胀）	高（抽象清晰）
类型侵入性	强（需暴露模板类型）	弱（可封装任意对象）