C++ 访问者模式
介绍
访问者模式是一种行为型设计模式，它允许你在不修改类的情况下为类层次结构添加新的操作。这种模式的核心思想是将数据结构与操作分离，实现了"开放-封闭原则"（对扩展开放，对修改封闭）。
当你有一个稳定的对象结构，但经常需要添加新的操作时，访问者模式特别有用。它能够让你在不改变这些对象的类的前提下定义新的操作，这些操作会"访问"这些对象。
备注
访问者模式是C++中较为高级的设计模式之一，需要对面向对象编程和多态有较好的理解。
访问者模式的基本结构
访问者模式由以下几个关键组件组成：
- Visitor（访问者）：声明了一组访问方法，每个方法对应于一种可访问的具体元素类型。
- ConcreteVisitor（具体访问者）：实现了访问者接口中声明的方法，每个方法都定义了对一种具体元素的操作。
- Element（元素）：定义了一个accept方法，接受访问者对象作为参数。
- ConcreteElement（具体元素）：实现了accept方法，通常会调用访问者对应的访问方法。
访问者模式的实现
下面是一个简单的C++访问者模式实现：
cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
// 前向声明
class Circle;
class Square;
class Rectangle;
// 访问者接口
class Visitor {
public:
virtual void visit(Circle* circle) = 0;
virtual void visit(Square* square) = 0;
virtual void visit(Rectangle* rectangle) = 0;
virtual ~Visitor() {}
};
// 元素接口
class Shape {
public:
virtual void accept(Visitor* visitor) = 0;
virtual ~Shape() {}
};
// 具体元素类
class Circle : public Shape {
public:
Circle(double radius) : radius_(radius) {}
void accept(Visitor* visitor) override {
visitor->visit(this);
}
double getRadius() const {
return radius_;
}
private:
double radius_;
};
class Square : public Shape {
public:
Square(double side) : side_(side) {}
void accept(Visitor* visitor) override {
visitor->visit(this);
}
double getSide() const {
return side_;
}
private:
double side_;
};
class Rectangle : public Shape {
public:
Rectangle(double width, double height) : width_(width), height_(height) {}
void accept(Visitor* visitor) override {
visitor->visit(this);
}
double getWidth() const {
return width_;
}
double getHeight() const {
return height_;
}
private:
double width_;
double height_;
};
// 具体访问者类
class AreaCalculator : public Visitor {
public:
void visit(Circle* circle) override {
double area = 3.14159 * circle->getRadius() * circle->getRadius();
std::cout << "Circle area: " << area << std::endl;
}
void visit(Square* square) override {
double area = square->getSide() * square->getSide();
std::cout << "Square area: " << area << std::endl;
}
void visit(Rectangle* rectangle) override {
double area = rectangle->getWidth() * rectangle->getHeight();
std::cout << "Rectangle area: " << area << std::endl;
}
};
class PerimeterCalculator : public Visitor {
public:
void visit(Circle* circle) override {
double perimeter = 2 * 3.14159 * circle->getRadius();
std::cout << "Circle perimeter: " << perimeter << std::endl;
}
void visit(Square* square) override {
double perimeter = 4 * square->getSide();
std::cout << "Square perimeter: " << perimeter << std::endl;
}
void visit(Rectangle* rectangle) override {
double perimeter = 2 * (rectangle->getWidth() + rectangle->getHeight());
std::cout << "Rectangle perimeter: " << perimeter << std::endl;
}
};
int main() {
std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes;
shapes.push_back(std::make_unique<Circle>(5.0));
shapes.push_back(std::make_unique<Square>(4.0));
shapes.push_back(std::make_unique<Rectangle>(3.0, 5.0));
AreaCalculator areaCalc;
PerimeterCalculator perimeterCalc;
// 计算所有形状的面积
std::cout << "Areas of shapes:" << std::endl;
for (const auto& shape : shapes) {
shape->accept(&areaCalc);
}
std::cout << "\nPerimeters of shapes:" << std::endl;
// 计算所有形状的周长
for (const auto& shape : shapes) {
shape->accept(&perimeterCalc);
}
return 0;
}
程序输出：
Areas of shapes:
Circle area: 78.5398
Square area: 16
Rectangle area: 15
Perimeters of shapes:
Circle perimeter: 31.4159
Square perimeter: 16
Rectangle perimeter: 16
双分派（Double Dispatch）
访问者模式使用了一种称为"双分派"的技术，它是访问者模式的核心。双分派是指对方法的选择取决于两个对象的类型：
- 被访问元素的类型（通过虚函数accept）
- 访问者的类型（通过虚函数visit）
这种机制允许我们根据两个对象的具体类型调用正确的方法，而不需要使用大量的类型检查或条件分支。
提示
双分派是访问者模式的关键，它利用了C++的虚函数机制，使得程序能够根据元素和访问者的具体类型执行相应的操作。
访问者模式的应用场景
访问者模式在以下场景中特别有用：
-
当对象结构相对稳定，但需要经常添加新的操作：例如，一个文档对象模型（DOM）树的结构确定，但可能需要对其执行不同的操作，如格式化、验证或转换。
-
当操作需要在不相关的类上执行：例如，一组不同的图形对象需要被绘制、移动或调整大小。
-
当操作需要访问对象的内部状态：访问者可以访问元素类的内部状态，但又不破坏其封装性。
-
当需要在一组对象上执行一组不同的操作：例如，在一个编译器中，语法树的结构是固定的，但可能需要执行多种不同的操作，如代码生成、类型检查、优化等。
实际案例：文档处理系统
以下是一个更复杂的实际应用场景示例，展示如何使用访问者模式构建一个简单的文档处理系统：
cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <string>
// 前向声明
class TextElement;
class ImageElement;
class TableElement;
// 文档访问者接口
class DocumentVisitor {
public:
virtual void visit(TextElement* text) = 0;
virtual void visit(ImageElement* image) = 0;
virtual void visit(TableElement* table) = 0;
virtual ~DocumentVisitor() {}
};
// 文档元素接口
class DocumentElement {
public:
virtual void accept(DocumentVisitor* visitor) = 0;
virtual ~DocumentElement() {}
};
// 具体文档元素
class TextElement : public DocumentElement {
public:
TextElement(const std::string& content) : content_(content) {}
void accept(DocumentVisitor* visitor) override {
visitor->visit(this);
}
std::string getContent() const {
return content_;
}
private:
std::string content_;
};
class ImageElement : public DocumentElement {
public:
ImageElement(const std::string& path, int width, int height)
: path_(path), width_(width), height_(height) {}
void accept(DocumentVisitor* visitor) override {
visitor->visit(this);
}
std::string getPath() const {
return path_;
}
int getWidth() const {
return width_;
}
int getHeight() const {
return height_;
}
private:
std::string path_;
int width_;
int height_;
};
class TableElement : public DocumentElement {
public:
TableElement(int rows, int cols) : rows_(rows), cols_(cols) {}
void accept(DocumentVisitor* visitor) override {
visitor->visit(this);
}
int getRows() const {
return rows_;
}
int getCols() const {
return cols_;
}
private:
int rows_;
int cols_;
};
// 具体访问者：HTML导出器
class HTMLExportVisitor : public DocumentVisitor {
public:
void visit(TextElement* text) override {
std::cout << "<p>" << text->getContent() << "</p>" << std::endl;
}
void visit(ImageElement* image) override {
std::cout << "<img src=\"" << image->getPath() << "\" width=\""
<< image->getWidth() << "\" height=\"" << image->getHeight()
<< "\" />" << std::endl;
}
void visit(TableElement* table) override {
std::cout << "<table>" << std::endl;
for (int i = 0; i < table->getRows(); ++i) {
std::cout << " <tr>" << std::endl;
for (int j = 0; j < table->getCols(); ++j) {
std::cout << " <td>Cell(" << i << "," << j << ")</td>" << std::endl;
}
std::cout << " </tr>" << std::endl;
}
std::cout << "</table>" << std::endl;
}
};
// 具体访问者：纯文本导出器
class PlainTextExportVisitor : public DocumentVisitor {
public:
void visit(TextElement* text) override {
std::cout << text->getContent() << std::endl << std::endl;
}
void visit(ImageElement* image) override {
std::cout << "[Image: " << image->getPath() << ", "
<< image->getWidth() << "x" << image->getHeight() << "]"
<< std::endl << std::endl;
}
void visit(TableElement* table) override {
std::cout << "Table (" << table->getRows() << "x" << table->getCols() << "):" << std::endl;
for (int i = 0; i < table->getRows(); ++i) {
for (int j = 0; j < table->getCols(); ++j) {
std::cout << "Cell(" << i << "," << j << ")\t";
}
std::cout << std::endl;
}
std::cout << std::endl;
}
};
// 文档类，包含多个元素
class Document {
public:
void addElement(std::unique_ptr<DocumentElement> element) {
elements_.push_back(std::move(element));
}
void accept(DocumentVisitor* visitor) {
for (const auto& element : elements_) {
element->accept(visitor);
}
}
private:
std::vector<std::unique_ptr<DocumentElement>> elements_;
};
int main() {
// 创建一个文档
Document doc;
// 添加各种元素
doc.addElement(std::make_unique<TextElement>("这是一个示例文档。"));
doc.addElement(std::make_unique<ImageElement>("image.jpg", 800, 600));
doc.addElement(std::make_unique<TextElement>("下面是一个表格："));
doc.addElement(std::make_unique<TableElement>(3, 4));
// 创建不同的访问者
HTMLExportVisitor htmlExporter;
PlainTextExportVisitor plainTextExporter;
// 使用HTML导出器
std::cout << "HTML导出结果：" << std::endl;
std::cout << "---------------------------" << std::endl;
doc.accept(&htmlExporter);
// 使用纯文本导出器
std::cout << "\n纯文本导出结果：" << std::endl;
std::cout << "---------------------------" << std::endl;
doc.accept(&plainTextExporter);
return 0;
}
程序输出：
HTML导出结果：
---------------------------
<p>这是一个示例文档。</p>
<img src="image.jpg" width="800" height="600" />
<p>下面是一个表格：</p>
<table>
<tr>
<td>Cell(0,0)</td>
<td>Cell(0,1)</td>
<td>Cell(0,2)</td>
<td>Cell(0,3)</td>
</tr>
<tr>
<td>Cell(1,0)</td>
<td>Cell(1,1)</td>
<td>Cell(1,2)</td>
<td>Cell(1,3)</td>
</tr>
<tr>
<td>Cell(2,0)</td>
<td>Cell(2,1)</td>
<td>Cell(2,2)</td>
<td>Cell(2,3)</td>
</tr>
</table>
纯文本导出结果：
---------------------------
这是一个示例文档。
[Image: image.jpg, 800x600]
下面是一个表格：
Table (3x4):
Cell(0,0) Cell(0,1) Cell(0,2) Cell(0,3)
Cell(1,0) Cell(1,1) Cell(1,2) Cell(1,3)
Cell(2,0) Cell(2,1) Cell(2,2) Cell(2,3)
访问者模式的优缺点
优点
- 分离操作与对象结构：访问者模式将操作从对象结构中分离出来，使得添加新操作变得容易。
- 集中相关操作：相关的操作可以集中在一个访问者类中，而不是分散在多个元素类中。
- 添加新操作很简单：只需要添加一个新的访问者类，而不需要修改现有的元素类。
- 积累状态：访问者可以在遍历元素时积累状态。
缺点
- 添加新的具体元素类很困难：每当添加新的具体元素类时，需要更新所有的访问者接口和实现。
- 破坏封装性：访问者通常需要访问元素的内部状态，这可能会破坏元素的封装性。
- 复杂性：访问者模式的实现相对复杂，初学者可能难以理解。
注意
访问者模式适用于元素类层次结构稳定且不经常变化的情况。如果元素结构经常变化，那么每次变化都需要修改所有访问者类，这会使代码难以维护。
总结
访问者模式是一种强大的设计模式，它允许你将算法与对象结构分离，从而实现对类层次结构的扩展而不需要修改现有代码。通过使用双分派机制，访问者模式能够根据元素和访问者的具体类型执行正确的操作。
尽管访问者模式有其局限性，特别是当需要频繁添加新的元素类型时，但在适当的场景下，它能够提供清晰、灵活且可扩展的代码结构。
理解访问者模式需要对面向对象编程和多态有较好的认识，但掌握了这一模式会极大地丰富你的设计模式工具箱，使你能够更有效地处理复杂的类层次结构。
练习与资源
练习
-
尝试扩展文档处理系统示例，添加一个新的文档元素类型（如LinkElement）和一个新的访问者（如PDFExportVisitor）。
-
实现一个表示算术表达式的类层次结构（如Number、AddExpression、SubtractExpression等），然后使用访问者模式实现表达式求值和打印功能。
-
思考：为什么在访问者模式中，我们使用了双分派技术而不是简单的instanceof检查（在C++中即RTTI，如dynamic_cast）？
附加资源
- 《Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software》- Gang of Four (GoF)
- 《Modern C++ Design》- Andrei Alexandrescu
- Refactoring.Guru - Visitor Pattern
- Source Making - Visitor Pattern
通过深入学习访问者模式，你将能够更好地理解面向对象设计的高级概念，并在适当的场景中应用这一强大的模式。