C++装饰器模式的实现原理与实际应用案例详解-源码库

C++装饰器模式的实现原理与实际应用案例详解

你好，我是源码库的博主。今天想和大家深入聊聊设计模式中一个既灵活又实用的模式——装饰器模式（Decorator Pattern）。在多年的C++开发中，我发现这个模式是解决“扩展功能”这类问题的利器，它完美遵循了“开放-封闭原则”，让代码像搭积木一样优雅。我记得第一次在项目中用它重构一个复杂的日志系统时，那种“柳暗花明”的感觉至今难忘。下面，我就结合自己的实战经验，带你从原理到应用，彻底搞懂C++中的装饰器模式。

一、装饰器模式的核心思想：动态“包装”

在开始写代码前，我们得先理解装饰器模式到底在解决什么问题。想象一个场景：你有一个核心的“数据输出”对象，现在需求来了，客户A想要为输出加上加密功能，客户B想要加上压缩功能，客户C则希望两者都要。如果用继承来实现，你可能需要创建“加密输出类”、“压缩输出类”、“加密且压缩输出类”……类爆炸不说，组合功能更是噩梦。

装饰器模式的妙处就在于，它不使用继承，而使用“组合”。它为对象动态地添加额外的职责，提供了一种比继承更灵活的替代方案。你可以把它理解为一个灵活的包装纸：核心对象是被包装的礼物，各种装饰器就是不同的包装纸和丝带，你可以随意组合叠加，而不需要改变礼物本身。

二、从零开始：一个简单的C++装饰器模式实现

理论说再多不如动手。让我们从一个最经典的例子——咖啡店点单系统开始。假设我们有基础饮料，然后可以随意添加摩卡、牛奶、糖等配料，最终计算总价格。

首先，我们定义组件（Component）的抽象接口：

// 组件接口：饮料
class Beverage {
public:
    virtual ~Beverage() = default;
    virtual std::string getDescription() const = 0;
    virtual double cost() const = 0;
};

接着，实现一个具体组件（Concrete Component），比如浓缩咖啡：

// 具体组件：浓缩咖啡
class Espresso : public Beverage {
public:
    std::string getDescription() const override {
        return "Espresso";
    }
    double cost() const override {
        return 1.99; // 基础价格
    }
};

现在，关键部分来了——装饰器基类（Decorator）。它必须继承自`Beverage`，并且包含一个指向`Beverage`的指针。这是实现“包装”能力的核心：

// 装饰器基类
class CondimentDecorator : public Beverage {
protected:
    std::unique_ptr beverage; // 持有被装饰对象的指针
public:
    explicit CondimentDecorator(std::unique_ptr bev)
        : beverage(std::move(bev)) {}
    // 注意：这里不实现 getDescription 和 cost，留给具体装饰器
};

然后，我们实现具体装饰器（Concrete Decorator），比如摩卡：

// 具体装饰器：摩卡
class Mocha : public CondimentDecorator {
public:
    using CondimentDecorator::CondimentDecorator; // 继承构造函数

    std::string getDescription() const override {
        return beverage->getDescription() + ", Mocha";
    }

    double cost() const override {
        return beverage->cost() + 0.20; // 在原有价格上加价
    }
};

同理，我们可以实现`Milk`（牛奶）、`Whip`（奶泡）等装饰器。现在，来看看如何像搭积木一样使用它们：

int main() {
    // 点一杯双倍摩卡加奶泡的浓缩咖啡
    auto myCoffee = std::make_unique();
    myCoffee = std::make_unique(std::move(myCoffee)); // 第一份摩卡
    myCoffee = std::make_unique(std::move(myCoffee)); // 第二份摩卡
    myCoffee = std::make_unique(std::move(myCoffee));  // 加奶泡

    std::cout << "Description: " <getDescription() << std::endl;
    std::cout << "Total Cost: $" <cost() << std::endl;
    // 输出：Description: Espresso, Mocha, Mocha, Whip
    //       Total Cost: $2.74
    return 0;
}

看到了吗？我们通过层层包装，动态地组合出了复杂的对象，而`Espresso`类本身没有为这些组合做任何修改。这就是装饰器模式的威力。

三、实战踩坑：我在日志系统中的真实应用

上面咖啡的例子虽然经典，但略显“玩具”。让我分享一个在生产环境中用装饰器模式重构日志模块的真实案例。

背景： 我们有一个基础的`Logger`接口，用于写日志。最初需求很简单，只是写文件。但随着系统复杂，新的需求接踵而至：1. 需要支持网络发送日志到日志服务器；2. 需要在日志前加上时间戳；3. 需要对敏感信息（如手机号）进行脱敏；4. 有些模块需要同时写文件和发网络。

如果用传统方法，我们会陷入继承的泥潭。而用装饰器模式，我们这样设计：

// 基础组件：日志接口
class ILogger {
public:
    virtual ~ILogger() = default;
    virtual void log(const std::string& message) = 0;
};

// 具体组件：文件日志
class FileLogger : public ILogger {
    std::ofstream logFile;
public:
    explicit FileLogger(const std::string& filename) {
        logFile.open(filename, std::ios::app);
    }
    void log(const std::string& msg) override {
        if(logFile.is_open()) {
            logFile << msg << std::endl;
        }
    }
};

// 装饰器基类
class LoggerDecorator : public ILogger {
protected:
    std::unique_ptr wrappedLogger;
public:
    explicit LoggerDecorator(std::unique_ptr logger)
        : wrappedLogger(std::move(logger)) {}
};

// 具体装饰器1：时间戳装饰器
class TimestampLogger : public LoggerDecorator {
public:
    using LoggerDecorator::LoggerDecorator;
    void log(const std::string& msg) override {
        auto now = std::chrono::system_clock::now();
        auto time = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
        std::string timestamp = std::ctime(&time);
        timestamp.pop_back(); // 去掉换行符
        wrappedLogger->log("[" + timestamp + "] " + msg);
    }
};

// 具体装饰器2：脱敏装饰器
class SensitiveDataLogger : public LoggerDecorator {
    std::string maskSensitiveInfo(const std::string& msg) {
        // 简单示例：将11位手机号替换为****
        std::regex phoneRegex(R"(b1[3-9]d{9}b)");
        return std::regex_replace(msg, phoneRegex, "***********");
    }
public:
    using LoggerDecorator::LoggerDecorator;
    void log(const std::string& msg) override {
        wrappedLogger->log(maskSensitiveInfo(msg));
    }
};

使用时，我们可以灵活组合：

// 创建一个带时间戳和脱敏功能的文件日志器
auto logger = std::make_unique("app.log");
logger = std::make_unique(std::move(logger));
logger = std::make_unique(std::move(logger));

logger->log("用户登录，手机号：13800138000，IP：192.168.1.1");
// 实际写入文件的内容类似：
// [Tue Sep 19 14:30:00 2023] 用户登录，手机号：***********，IP：192.168.1.1

踩坑提示： 在这个实战中，我最初犯了一个错误——在装饰器析构函数中没有正确管理`wrappedLogger`的生命周期。后来我统一改用`std::unique_ptr`来明确所有权，避免了内存泄漏。这是C++实现装饰器模式时的一个关键点。

四、装饰器模式的优缺点与适用场景

经过这些实践，我来总结一下装饰器模式的优缺点，帮你判断何时该用它。

优点：

符合开闭原则：无需修改原有代码即可扩展新功能。这是我最喜欢的一点，它让系统变得极具弹性。
组合优于继承：避免了子类爆炸，功能组合更加灵活自由。
动态添加职责：可以在运行时选择不同的装饰器进行组合，这是静态继承无法做到的。

缺点：

小对象众多：会创建大量小对象，增加系统复杂度。在性能极其敏感的场景要谨慎。
调试困难：多层包装使得调试栈变深，有时不容易一眼看出最终调用链。
初始化复杂：构造一个最终对象可能需要多行代码，看起来有些冗长。

适用场景：

需要动态、透明地给对象添加职责，且这些职责可以自由组合。
当通过继承来扩展功能会导致类数量急剧膨胀时（比如我遇到的日志系统案例）。
当对象的功能需要运行时动态切换或撤销时。

在C++标准库中，其实也能看到装饰器模式的影子，比如`std::stack`适配器可以看作是对底层容器（如`std::deque`）的一种功能装饰（限定为栈操作）。

五、总结：让代码像乐高一样灵活

回顾整篇文章，我们从装饰器模式“动态包装”的核心思想出发，通过咖啡店的简单示例理解了其基本结构，再深入到日志系统的实战应用，并分享了其中的踩坑经验。装饰器模式本质上提供了一种强大的“组合”能力，它让我们的代码不再是僵化的水泥块，而是变成了可以随意拼接的乐高积木。

最后给你一个建议：当你下次在C++项目中遇到“如何在不修改原有类的情况下增加功能”这个难题时，不妨先停下来想一想——装饰器模式是不是那把合适的钥匙。很多时候，它能让复杂的扩展问题变得清晰而优雅。

希望这篇结合我个人实战经验的文章能帮助你真正掌握装饰器模式。如果在实现中遇到问题，欢迎在源码库社区交流讨论。 Happy coding!

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