C++ 版本——优化工厂模式和策略模式

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gaosmile 发布时间：2020-7-9 12:50

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前言

羊哥之前写一篇有趣的文章《答应我，别再if/else走天下了可以吗 | CodeSheep》，在文中使用 Java 语言实现了枚举类、工厂模式和策略模式的三种方式，来消除连环的if/else。内容层层递进，由浅入深的方式我非常喜欢。

看到有留言中有小伙伴想看 C++ 版本的，特此写下了此文（已经过羊哥的同意）。不过由于 C++ 没有枚举类，所以本文不涉及此方式，但本文会带大家一步一步的优化工厂模式和策略模式。

正文糟糕 if / else 连环

if/else可以说是我们学习编程时，第一个学习的分支语句，简单易理解，生活中也处处有的if/else例子：

老婆给当程序员的老公打电话：“下班顺路买一斤包子带回来，如果看到卖西瓜的，买一个。”
% }: `) u0 `. l8 [* W6 V& \当晚，程序员老公手捧一个包子进了家门。。。
) H* L0 r  r3 g0 E8 L& z老婆怒道：“你怎么就买了一个包子？！”
5 f; a0 s& H9 }2 ^  V老公答曰：“因为看到了卖西瓜的。”

老婆的思维：

买一斤包子;
if( 看到卖西瓜的）
买一只（西瓜 );

而程序员老公的程序:

if( ! 看见卖西瓜的 )
买一斤包子;
else
买一只( 包子 );

非常生生动动的生活例子！如果身为程序员的你，犯了同样的思维错误，别继续问你媳妇为什么，问就是跪键盘：

进入本文正题。考虑以下栗子：一般来说我们正常的后台管理系统都有所谓的角色的概念，不同管理员权限不一样，能够行使的操作也不一样。

系统管理员（ROLE_ROOT_ADMIN）：有A操作权限
订单管理员（ROLE_ORDER_ADMIN）：有B操作权限
普通用户（ROLE_NORMAL）：有C操作权限
0 V4 B9 J; U4 F: D m {/ B5 m) k

假设一个用户进来，我们需要根据不同用户的角色来判断其有哪些行为。使用过多if/else连环写法的我们，肯定下意识就觉得，这不简单嘛，我上演一套连环的写法：

class JudgeRole
{
public:
std::string Judge( std::string roleName )
{
      std::string result = "";
      if( roleName == "ROLE_ROOT_ADMIN" )    // 系统管理员
      {
         result = roleName + "has A permission";
      }
      else if( roleName == "ROLE_ORDER_ADMIN" ) // 订单管理员
      {
         result = roleName + "has B permission";
      }
      else if( roleName == "ROLE_NORMAL" )    // 普通用户
      {
         result = roleName + "has C permission";
      }
      return result;
}
};

当系统里有几十个角色，那岂不是几十个if/else嵌套，这个视觉效果绝对酸爽……这种实现方式非常的不优雅。

别人看了这种代码肯定大声喊:“我X，哪个水货写的！”

这时你听到，千万不要说:“那我改成switch/case”。千万别说，千万别说哦，否则可能拎包回家了……

因为switch/case和if/else毛区别都没，都是写费劲、难阅读、不易扩展的代码。

接下来简单讲几种改进方式，别再 if / else 走天下了。

工厂模式 —— 它不香吗？

不同的角色做不同的事情，很明显就提供了使用工厂模式的契机，我们只需要将不同情况单独定义好，并聚合到工厂里面即可。

首先，定义一个公用接口RoleOperation，类里有一个纯虚函数Op，供派生类（子类）具体实现：

// 基类
class RoleOperation
{
public:
virtual std::string Op() = 0; // 纯虚函数
virtual ~RoleOperation() {} // 虚析构函数
};

接下来针对不同的角色类，继承基类，并实现 Op 函数：

// 系统管理员(有 A 操作权限)
class RootAdminRole : public RoleOperation {
public:
RootAdminRole(const std::string &roleName)
         : m_RoleName(roleName) {}

std::string Op() {
      return m_RoleName + " has A permission";
}

private:
std::string m_RoleName;
};

// 订单管理员(有 B 操作权限)
class OrderAdminRole : public RoleOperation {
public:
OrderAdminRole(const std::string &roleName)
         : m_RoleName(roleName) {}

std::string Op() {
      return m_RoleName + " has B permission";
}

private:
std::string m_RoleName;
};

// 普通用户(有 C 操作权限)
class NormalRole : public RoleOperation {
public:
NormalRole(const std::string &roleName)
         : m_RoleName(roleName) {}

std::string Op() {
      return m_RoleName + " has C permission";
}

private:
std::string m_RoleName;
};

接下来在写一个工厂类RoleFactory，提供两个接口：

用以注册角色指针对象到工厂的RegisterRole成员函数；
用以获取对应角色指针对象的GetRole成员函数。

) a% f+ n" p3 t- a1 X# M4 T: }* F

// 角色工厂
class RoleFactory {
public:
// 获取工厂单例，工厂的实例是唯一的
static RoleFactory& Instance() {
      static RoleFactory instance; // C++11 以上线程安全
      return instance;
}

// 把指针对象注册到工厂
void RegisterRole(const std::string& name, RoleOperation* registrar) {
      m_RoleRegistry[name] = registrar;
}

// 根据名字name，获取对应的角色指针对象
RoleOperation* GetRole(const std::string& name) {

      std::map<std::string, RoleOperation*>::iterator it;

      // 从map找到已经注册过的角色，并返回角色指针对象
      it = m_RoleRegistry.find(name);
      if (it != m_RoleRegistry.end()) {
         return it->second;
      }

      return nullptr; // 未注册该角色，则返回空指针
}

private:
// 禁止外部构造和虚构
RoleFactory() {}
~RoleFactory() {}

// 禁止外部拷贝和赋值操作
RoleFactory(const RoleFactory &);
const RoleFactory &operator=(const RoleFactory &);

// 保存注册过的角色，key:角色名称 , value:角色指针对象
std::map<std::string, RoleOperation *> m_RoleRegistry;
};

把所有的角色注册（聚合）到工厂里，并封装成角色初始化函InitializeRole：

void InitializeRole() // 初始化角色到工厂
{
static bool bInitialized = false;

if (bInitialized == false) {
      // 注册系统管理员
      RoleFactory::Instance().RegisterRole("ROLE_ROOT_ADMIN", new RootAdminRole("ROLE_ROOT_ADMIN"));
      // 注册订单管理员
      RoleFactory::Instance().RegisterRole("ROLE_ORDER_ADMIN", new OrderAdminRole("ROLE_ORDER_ADMIN"));
      // 注册普通用户
      RoleFactory::Instance().RegisterRole("ROLE_NORMAL", new NormalRole("ROLE_NORMAL"));
      bInitialized = true;
}
}

接下来借助上面这个工厂，业务代码调用只需要一行代码，if/else被消除的明明白白：

class JudgeRole {
public:
std::string Judge(const std::string &roleName) {
return RoleFactory::Instance().GetRole(roleName)->Op();
}
};

需要注意：在使用Judge时，要先调用初始化所有角色 InitializeRole 函数（可以放在main函数开头等）:

int main() {
InitializeRole(); // 优先初始化所有角色到工厂

JudgeRole judgeRole;

std::cout << judgeRole.Judge("ROLE_ROOT_ADMIN") << std::endl;
std::cout << judgeRole.Judge("ROLE_ORDER_ADMIN") << std::endl;
std::cout << judgeRole.Judge("ROLE_NORMAL") << std::endl;
}

通过工厂模式实现的方式，想扩展条件也很容易，只需要增加新代码，而不需要改动以前的业务代码，非常符合「开闭原则」。

不知道小伙伴发现了没有，上面实现工厂类，虽然看来去井然有序，但是当使用不当时会招致程序奔溃，那么是什么情况会发生呢？

我们先来分析上面的工厂类对外的两个接口：

RegisterRole注册角色指针对象到工厂
GetRole从工厂获取角色指针对象

) N2 Q- W Z7 s4 v3 g" f

难道是指针对象没有释放导致资源泄露？不，不是这个问题，我们也不必手动去释放指针，因为上面的工厂是「单例模式」，它的生命周期是从第一次初始化后到程序结束，那么程序结束后，操作系统自然就会回收工厂类里的所有指针对象资源。

但是当我们手动去释放从工厂获取的角色指针对象，那么就会有问题了：

RoleOperation* pRoleOperation = RoleFactory::Instance().GetRole(roleName);
...
delete pRoleOperation; // 手动去释放指针对象

如果我们手动释放了指针对象，也就导致工厂里 map 中存放的指针对象指向了空，当下次再次使用时，就会招致程序奔溃！如下面的例子：

class JudgeRole {
public:
std::string Judge(const std::string &roleName) {
      RoleOperation *pRoleOperation = RoleFactory::Instance().GetRole(roleName);
      std::string ret = pRoleOperation->Op();
      delete pRoleOperation; // 手动去释放指针对象
      return ret;
}
};

int main() {
InitializeRole(); // 优先初始化所有角色到工厂

JudgeRole judgeRole;

std::cout << judgeRole.Judge("ROLE_ROOT_ADMIN") << std::endl;
std::cout << judgeRole.Judge("ROLE_ROOT_ADMIN") << std::endl; // 错误！程序会奔溃退出！

return 0;
}

上面的代码在使用第二次ROLE_ROOT_ADMIN角色指针对象时，就会招致程序奔溃，因为ROLE_ROOT_ADMIN角色指针对象已经在第一次使用完后，被手动释放指针对象了，此时工厂map存放的就是空指针了。

可否优化呢？因为有的程序员是会手动释放从工厂获取的指针对象的。

上面的工厂类的缺陷就在于，new初始化的指针对象只初始化了一次，如果手动释放了指针对象，就会导致此指针对象指向空，再次使用就会导致系统奔溃。

为了改进这个问题，那么我们把 new初始化方式放入工厂类获取指针对象的成员函数里，这也就每次调用该成员函数时，都是返回新new初始化过的指针对象，那么这时外部就需要由手动释放指针对象了。

下面的工厂类，改进了上面问题，同时采用模板技术，进一步对工厂类进行了封装，使得不管是角色类，还是其他类，只要存在多态特性的类，都可以使用此工厂类，可以说是「万能」的工厂类了：

「万能」工厂

接下来把新的「万能」工厂模板类，使用到本例的角色对象。

1. 把角色注册（聚合）到工厂的方式是构造ProductRegistrar对象，使用时需注意：

模板参数ProductType_t指定的是基类（如本例RoleOperation）
模板参数ProductImpl_t指定的是派生类（如本例 RootAdminRole、OrderAdminRole 和 NormalRole）

9 a3 B& ]- l, [( D# [: Z$ @

我们使用新的注册（聚合）方式，对InitializeRole初始化角色函数改进下，参见下面：

void InitializeRole() // 初始化角色到工厂
{
static bool bInitialized = false;

if (bInitialized == false) {
      // 注册系统管理员
      static ProductRegistrar<RoleOperation, RootAdminRole> rootRegistrar("ROLE_ROOT_ADMIN");
      // 注册订单管理员
      static ProductRegistrar<RoleOperation, OrderAdminRole> orderRegistrar("ROLE_ORDER_ADMIN");
      // 注册普通用户
      static ProductRegistrar<RoleOperation, NormalRole> normalRegistrar("ROLE_NORMAL");
      bInitialized = true;
}
}

2. 从工厂获取角色指针对象的函数是GetProduct，需注意的是：

使用完角色指针对象后，需手动delete资源。
9 X" B5 }1 F# H( @6 Q1 c& Y9 _4 O7 S

我们使用新的获取角色对象的方式，对Judge函数改进下，参见下面：

class JudgeRole {
public:
std::string Judge(const std::string &roleName) {
      ProductFactory<RoleOperation>& factory = ProductFactory<RoleOperation>::Instance();
      // 从工厂获取对应的指针对象
      RoleOperation *pRoleOperation = factory.GetProduct(roleName);
      // 调用角色的对应操作权限
      std::string result = pRoleOperation->Op();
      // 手动释放资源
      delete pRoleOperation;
      return result;
}
};

唔，每次都手动释放资源这种事情，会很容易遗漏。如果我们遗漏了，就会招致了内存泄漏。为了避免此概率事情的发生，我们用上「智能指针]，让它帮我们管理吧：

class JudgeRole {
public:
std::string Judge(const std::string &roleName) {
      ProductFactory<RoleOperation>& factory = ProductFactory<RoleOperation>::Instance();
      std::shared_ptr<RoleOperation> pRoleOperation(factory.GetProduct(roleName));
      return pRoleOperation->Op();
}
};

采用了std::shared_ptr引用计数智能指针，我们不在需要时刻记住要手动释放资源的事情啦（我们通常都会忘记……），该智能指针会在当引用次数为 0 时，自动会释放掉指针资源。

来，我们接着来，除了工厂模式，策略模式也不妨试一试

策略模式 —— 它不香吗？

策略模式和工厂模式写起来其实区别也不大！策略模式也采用了面向对象的继承和多态机制。

在上面工厂模式代码的基础上，按照策略模式的指导思想，我们也来创建一个所谓的策略上下文类，这里命名为RoleContext：

class RoleContext {
public:
RoleContext(RoleOperation *operation) : m_pOperation(operation) {
}

~RoleContext() {
      if (m_pOperation) {
         delete m_pOperation;
      }
}

std::string execute() {
      return m_pOperation->Op();
}

private:
// 禁止外部拷贝和赋值操作
RoleContext(const RoleContext &);
const RoleContext &operator=(const RoleContext &);

RoleOperation *m_pOperation;
};

很明显上面传入的参数operation就是表示不同的「策略」。我们在业务代码里传入不同的角色，即可得到不同的操作结果：

class JudgeRole {
public:
std::string Judge(RoleOperation *pOperation) {
RoleContext roleContext(pOperation);
return roleContext.execute();
}
};

int main() {
JudgeRole judgeRole;

std::cout << judgeRole.Judge(new RootAdminRole("ROLE_ROOT_ADMIN")) << std::endl;
std::cout << judgeRole.Judge(new OrderAdminRole("ROLE_ORDER_ADMIN")) << std::endl;
std::cout << judgeRole.Judge(new NormalRole("ROLE_NORMAL")) << std::endl;

return 0;
}

当然，上面策略类还可以进一步优化：
用模板技术进一步封装，使其不限制于角色类。

7 H* s9 ? `7 S: n/ g8 _

// 策略类模板
// 模板参数 ProductType_t，表示的是基类
template <class ProductType_t>
class ProductContext {
public:
ProductContext(ProductType_t *operation)
            : m_pOperation(operation) {
}

~ProductContext() {
      if (m_pOperation) {
         delete m_pOperation;
      }
}

std::string execute() {
      return m_pOperation->Op();
}

private:
// 禁止外部拷贝和赋值操作
ProductContext(const ProductContext &);
const ProductContext &operator=(const ProductContext &);

ProductType_t* m_pOperation;
};

使用方式，没太大差别，只需要指定类模板参数是基类（如本例 RoleOperation）即可：

class JudgeRole {
public:
std::string Judge(RoleOperation *pOperation) {
ProductContext<RoleOperation> roleContext(pOperation);
return roleContext.execute();
}
};

共勉

C++ 和 Java 语言都是面向对象编程的方式，所以都是可以通过面向对象和多态特性降低代码的耦合性，同时也可使得代码易扩展。所以对于写代码事情，不要着急下手，先思考是否有更简单、更好的方式去实现。

C++ 之父 Bjarne Stroustrup 曾经提及过程序员的三大美德是懒惰、急躁、傲慢，其中之一的懒惰这个品质，就是告知我们要花大力气去思考，避免消耗过多的精力个体力（如敲代码）。

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C++ 版本——优化工厂模式和策略模式

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