C++装饰器模式实现方法：让功能扩展像“套娃”一样优雅
大家好，今天我想和大家深入聊聊C++设计模式中一个既实用又优雅的模式——装饰器模式（Decorator Pattern）。我第一次真正理解它的妙处，是在为一个老旧的日志系统添加新功能时。当时，系统已经有了基础的日志输出，但产品经理突然要求：既要能输出到文件，又要能同时输出到网络，还要能根据级别过滤，甚至给日志加上时间戳和线程ID。如果直接在原有类上“打补丁”，代码会迅速变成一团乱麻。而装饰器模式，就像给一个核心对象套上多层“包装纸”，每层纸增加一点新功能，最终完美解决了这个难题。下面，我就结合自己的实战经验，带大家一步步实现它。
一、什么是装饰器模式？先理解“套娃”思想
装饰器模式的核心思想是动态地给一个对象添加一些额外的职责。它属于结构型模式，是继承的一种灵活替代方案。你可以把它想象成俄罗斯套娃：最里面是核心对象（基础功能），外面的每一层套娃都是一个“装饰器”，为它增加新的外观或能力（如彩绘、镶金边）。
为什么不用继承？ 继承是静态的，如果我要“文件日志+网络日志+时间戳”这个组合，就得创建一个新子类。如果组合方式有N种，就需要创建N个子类，这就是可怕的“类爆炸”。装饰器模式通过组合而非继承，在运行时灵活地组装功能，完美避开了这个坑。
它的主要角色有四个：
- 组件接口（Component）：定义核心对象和装饰器的共同接口。
- 具体组件（ConcreteComponent）：核心对象，实现基础功能。
- 装饰器基类（Decorator）：继承组件接口，并持有一个组件对象的引用。
- 具体装饰器（ConcreteDecorator）：负责给组件添加新的职责。
二、实战场景：构建一个可扩展的日志系统
让我们用上面提到的日志系统作为例子。假设我们最初只有一个简单的日志器，只能输出纯文本消息。
首先，定义我们的“组件接口” ILogger：
// 组件接口：所有日志器的抽象
class ILogger {
public:
virtual ~ILogger() = default;
virtual void log(const std::string& message) = 0;
};接着，实现最核心的“具体组件” SimpleLogger，它只负责最基本的输出到控制台：
// 具体组件：基础日志器
class SimpleLogger : public ILogger {
public:
void log(const std::string& message) override {
std::cout << "Log: " << message << std::endl;
}
};好了，基础打好了。现在，关键角色“装饰器基类”要登场了。这是实现模式的核心技巧：
// 装饰器基类：继承接口并包含一个组件引用
class LoggerDecorator : public ILogger {
protected:
std::unique_ptr wrappedLogger; // 持有一个被装饰的日志器
public:
// 通过构造函数注入需要被装饰的对象
explicit LoggerDecorator(std::unique_ptr logger)
: wrappedLogger(std::move(logger)) {}
// 默认实现：直接转发给被装饰的对象
void log(const std::string& message) override {
if (wrappedLogger) {
wrappedLogger->log(message);
}
}
};请注意，LoggerDecorator 本身也实现了 log 方法，但它只是简单转发。它的存在是为了让具体的装饰器继承，并在此基础上“增强”功能。
三、实现具体装饰器：给日志穿上“功能外衣”
现在，我们可以开始创造各种装饰器了。每个装饰器继承自 LoggerDecorator，在调用被装饰对象的 log 方法前后，添加自己的逻辑。
1. 时间戳装饰器：给每条日志加上当前时间。
#include
#include
#include
class TimestampLogger : public LoggerDecorator {
public:
using LoggerDecorator::LoggerDecorator; // 继承构造函数
void log(const std::string& message) override {
auto now = std::chrono::system_clock::now();
auto time = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
std::stringstream ss;
ss <log(ss.str() + message);
}
};2. 错误级别装饰器：只记录错误级别以上的日志。
enum class LogLevel { DEBUG, INFO, WARNING, ERROR };
class LevelFilterLogger : public LoggerDecorator {
LogLevel minLevel;
public:
LevelFilterLogger(std::unique_ptr logger, LogLevel level)
: LoggerDecorator(std::move(logger)), minLevel(level) {}
void log(const std::string& message) override {
// 假设message格式为 "[LEVEL] msg"，这里简单演示
// 实际中可能需要解析message的第一个词
// 这里为了演示，我们假设所有消息都通过
wrappedLogger->log(message);
}
// 更完整的实现应该有一个带Level参数的log函数，这里做了简化
};3. 文件输出装饰器：将日志写入文件。
#include
class FileLogger : public LoggerDecorator {
std::ofstream fileStream;
public:
FileLogger(std::unique_ptr logger, const std::string& filename)
: LoggerDecorator(std::move(logger)), fileStream(filename) {
if (!fileStream.is_open()) {
throw std::runtime_error("Failed to open log file!");
}
}
void log(const std::string& message) override {
// 1. 先调用被装饰的logger（比如带时间戳的）
wrappedLogger->log(message);
// 2. 再额外写入文件
fileStream << message << std::endl;
}
};四、组合使用：体验动态装配的强大
最激动人心的部分来了！现在我们可以在客户端代码中，像搭积木一样组合这些功能：
int main() {
// 1. 基础日志器
auto logger = std::make_unique();
// 2. 动态添加时间戳功能：套上第一层“装饰”
logger = std::make_unique(std::move(logger));
// 3. 动态添加文件输出功能：再套一层
// 现在日志会同时输出到控制台（带时间戳）和文件
logger = std::make_unique(std::move(logger), "app.log");
// 使用最终组装好的logger
logger->log("System started successfully.");
logger->log("User 'Alice' logged in.");
logger->log("ERROR: Database connection failed!");
return 0;
}运行这段代码，你会在控制台看到带时间戳的日志，同时所有内容也会被写入 app.log 文件。如果想改变组合，比如只想输出带时间戳的日志到控制台而不写文件，只需不添加 FileLogger 那层装饰即可。完全无需修改任何现有类的代码！
五、实战踩坑与最佳实践
在项目中使用装饰器模式，我总结了几点经验和注意事项：
1. 智能指针管理所有权：上面的例子使用了 std::unique_ptr 来明确对象所有权转移。这是现代C++的推荐做法，能有效防止内存泄漏。装饰器“包裹”了原始对象，并接管了它的生命周期。
2. 注意装饰顺序：装饰的顺序可能影响结果。比如，先加时间戳再过滤级别，和先过滤级别再加时间戳，逻辑是不同的。需要根据业务需求确定装饰器的调用链顺序。
3. 避免过度装饰：虽然灵活，但嵌套层数过多会影响性能和调试难度。如果装饰链非常长，可能需要考虑其他模式（如责任链模式）或重构。
4. 接口设计的稳定性：组件接口（如 ILogger）一旦确定，应尽量保持稳定。因为所有装饰器都依赖它，频繁修改接口会导致大量改动。
5. 与代理模式的区别：新手容易混淆装饰器和代理模式。简单来说，装饰器目的是增强功能，而代理目的是控制访问（如延迟加载、权限检查）。虽然结构相似，但意图不同。
六、总结
装饰器模式通过一种松耦合的方式，实现了功能的动态扩展，完美遵循了“开放-封闭原则”（对扩展开放，对修改封闭）。在C++中，利用继承和组合，配合智能指针，可以优雅地实现它。下次当你面临“如何在不修改原有类的情况下增加功能”这个经典难题时，不妨想想这个“套娃”模型，它很可能就是那把优雅的钥匙。
希望这篇结合实战的教程能帮助你掌握C++装饰器模式的精髓。如果在实现中遇到问题，欢迎讨论。编程的艺术，往往就在于如何将复杂的需求，分解成一个个可以灵活组合的简单模块。Happy coding!
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