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侯捷 C++ 课程学习笔记：设计模式在面向对象开发中的应用

article 2025/2/21 19:40:23

在侯捷老师的《C++ 面向对象开发》课程中，除了对面向对象编程的基础特性（封装、继承和多态）的深入讲解外，还引入了设计模式这一高级主题。设计模式是面向对象编程中的一种最佳实践，能够帮助开发者解决常见的设计问题，提升代码的可维护性和可扩展性。侯捷老师通过丰富的实战案例，让我对设计模式在 C++ 开发中的应用有了更深刻的理解。以下是我对这部分内容的学习笔记和心得体会。

在这里插入图片描述

一、课程核心内容：设计模式在 C++ 面向对象开发中的应用

侯捷老师在课程中详细讲解了几种常用的设计模式，包括单例模式（Singleton）、工厂模式（Factory）、观察者模式（Observer）和策略模式（Strategy）。这些设计模式不仅解决了实际开发中的常见问题，还通过面向对象的思想提升了代码的可扩展性和可维护性。

（一）单例模式（Singleton）

单例模式是设计模式中最简单的一种，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。侯捷老师通过以下代码展示了单例模式的实现：

#include <iostream>

class Singleton {
private:
    static Singleton* instance;
    Singleton() {} // 私有构造函数

public:
    static Singleton* getInstance() {
        if (instance == nullptr) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

    void showMessage() const {
        std::cout << "Hello from Singleton!" << std::endl;
    }
};

// 初始化静态成员变量
Singleton* Singleton::instance = nullptr;

int main() {
    Singleton* s1 = Singleton::getInstance();
    Singleton* s2 = Singleton::getInstance();

    s1->showMessage();
    s2->showMessage();

    // 检查是否为同一个实例
    std::cout << "Same instance: " << (s1 == s2 ? "Yes" : "No") << std::endl;

    return 0;
}

侯捷老师指出，单例模式在需要全局访问某个资源时非常有用，例如日志记录器、配置管理器等。但需要注意的是，单例模式可能会引入全局状态，从而增加代码的耦合性。

（二）工厂模式（Factory）

工厂模式用于创建对象，而无需指定具体的类。侯捷老师通过一个简单的图形类库展示了工厂模式的使用：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

// 基类
class Shape {
public:
    virtual void draw() const = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

// 具体类
class Circle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a Circle" << std::endl;
    }
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a Rectangle" << std::endl;
    }
};

// 工厂类
class ShapeFactory {
public:
    std::unique_ptr<Shape> getShape(const std::string& shapeType) {
        if (shapeType == "CIRCLE") {
            return std::make_unique<Circle>();
        } else if (shapeType == "RECTANGLE") {
            return std::make_unique<Rectangle>();
        }
        return nullptr;
    }
};

int main() {
    ShapeFactory shapeFactory;

    auto shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");
    shape1->draw();

    auto shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");
    shape2->draw();

    return 0;
}

侯捷老师强调，工厂模式通过将对象的创建逻辑封装在工厂类中，使得代码更加灵活和可扩展。当需要添加新的类时，只需扩展工厂类即可，无需修改客户端代码。

（三）观察者模式（Observer）

观察者模式用于实现对象之间的依赖关系，当一个对象的状态发生变化时，所有依赖于它的对象都会自动更新。侯捷老师通过一个简单的消息通知系统展示了观察者模式的实现：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

// 抽象观察者
class Observer {
public:
    virtual void update(const std::string& message) = 0;
    virtual ~Observer() = default;
};

// 抽象主题
class Subject {
private:
    std::vector<Observer*> observers;

public:
    void attach(Observer* observer) {
        observers.push_back(observer);
    }

    void detach(Observer* observer) {
        observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());
    }

    void notify(const std::string& message) {
        for (auto observer : observers) {
            observer->update(message);
        }
    }
};

// 具体观察者
class ConcreteObserver : public Observer {
public:
    void update(const std::string& message) override {
        std::cout << "Observer received message: " << message << std::endl;
    }
};

int main() {
    Subject subject;
    ConcreteObserver observer1, observer2;

    subject.attach(&observer1);
    subject.attach(&observer2);

    subject.notify("Hello Observers!");

    subject.detach(&observer1);
    subject.notify("Observer1 detached.");

    return 0;
}

侯捷老师指出，观察者模式非常适合实现事件驱动的系统，例如 GUI 应用程序中的事件监听机制。通过观察者模式，可以实现低耦合的设计，使得系统的扩展更加灵活。

（四）策略模式（Strategy）

策略模式用于定义一系列算法，并将它们封装在独立的类中。侯捷老师通过一个简单的排序算法示例展示了策略模式的使用：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

// 抽象策略
class SortStrategy {
public:
    virtual void sort(std::vector<int>& data) const = 0;
    virtual ~SortStrategy() = default;
};

// 具体策略：冒泡排序
class BubbleSort : public SortStrategy {
public:
    void sort(std::vector<int>& data) const override {
        for (size_t i = 0; i < data.size(); ++i) {
            for (size_t j = 0; j < data.size() - i - 1; ++j) {
                if (data[j] > data[j + 1]) {
                    std::swap(data[j], data[j + 1]);
                }
            }
        }
    }
};

// 具体策略：快速排序
class QuickSort : public SortStrategy {
public:
    void sort(std::vector<int>& data) const override {
        std::sort(data.begin(), data.end());
    }
};

// 上下文类
class Sorter {
private:
    SortStrategy* strategy;

public:
    Sorter(SortStrategy* strategy) : strategy(strategy) {}

    void setStrategy(SortStrategy* strategy) {
        this->strategy = strategy;
    }

    void sort(std::vector<int>& data) {
        strategy->sort(data);
    }
};

int main() {
    std::vector<int> data = {5, 2, 9, 1, 5, 6};

    Sorter sorter(new BubbleSort());
    sorter.sort(data);

    std::cout << "Sorted data (Bubble Sort): ";
    for (int num : data) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    sorter.setStrategy(new QuickSort());
    sorter.sort(data);

    std::cout << "Sorted data (Quick Sort): ";
    for (int num : data) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

侯捷老师强调，策略模式通过将算法封装在独立的类中，使得算法可以独立于客户端代码进行扩展和修改。这种方式不仅提高了代码的可维护性，还使得算法的切换更加灵活。

二、学习心得：设计模式在实际开发中的价值

通过学习侯捷老师的《C++ 面向对象开发》课程，我对设计模式有了更深刻的理解。侯捷老师不仅讲解了设计模式的理论知识，还通过大量实战案例展示了如何在实际开发中应用这些模式。

（一）设计模式的灵活性

设计模式提供了一种灵活的解决方案，能够帮助开发者解决常见的设计问题。例如，工厂模式通过封装对象的创建逻辑，使得代码更加灵活和可扩展；观察者模式通过解耦对象之间的依赖关系，使得系统的扩展更加灵活。

（二）提升代码的可维护性

设计模式通过面向对象的思想，将复杂的逻辑封装在独立的类中，使得代码更加清晰和易于维护。例如，策略模式通过将算法封装在独立的类中，使得算法的修改和扩展不会影响客户端代码。

（三）面向对象设计原则的应用

侯捷老师在课程中还介绍了面向对象设计的一些基本原则，如单一职责原则、开闭原则、里氏替换原则等。这些原则为设计模式的应用提供了指导，帮助开发者设计出更合理、更灵活的系统。

三、实际应用案例：设计模式在项目中的实战应用

在学习侯捷老师的课程后，我将所学知识应用到了实际项目中。我们团队负责开发一个简单的任务调度系统，需要管理任务的创建、执行和通知机制。通过侯捷老师对设计模式的讲解，我决定使用工厂模式和观察者模式来实现这一功能。

（一）项目背景

任务调度系统需要管理任务的创建、执行和通知机制。每个任务可以被分配到不同的执行器上，并且需要在任务状态发生变化时通知相关观察者。系统需要支持灵活的任务扩展和通知机制。

（二）工厂模式的应用

我们使用工厂模式来创建任务对象。任务对象的类型可以根据任务的类型动态决定。以下是代码示例：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

// 基类
class Task {
public:
    virtual void execute() const = 0;
    virtual ~Task() = default;
};

// 具体任务
class EmailTask : public Task {
public:
    void execute() const override {
        std::cout << "Sending email..." << std::endl;
    }
};

class FileTask : public Task {
public:
    void execute() const override {
        std::cout << "Processing file..." << std::endl;
    }
};

// 工厂类
class TaskFactory {
public:
    std::unique_ptr<Task> createTask(const std::string& taskType) {
        if (taskType == "EMAIL") {
            return std::make_unique<EmailTask>();
        } else if (taskType == "FILE") {
            return std::make_unique<FileTask>();
        }
        return nullptr;
    }
};

int main() {
    TaskFactory taskFactory;

    auto task1 = taskFactory.createTask("EMAIL");
    task1->execute();

    auto task2 = taskFactory.createTask("FILE");
    task2->execute();

    return 0;
}

通过工厂模式，我们能够灵活地创建不同类型的任务对象，而无需在客户端代码中直接实例化具体类。

（三）观察者模式的应用

我们使用观察者模式来实现任务状态变化的通知机制。任务对象作为主题，观察者可以注册到任务对象上，并在任务状态变化时接收通知。以下是代码示例：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

// 抽象观察者
class Observer {
public:
    virtual void update(const std::string& message) = 0;
    virtual ~Observer() = default;
};

// 抽象主题
class Subject {
private:
    std::vector<Observer*> observers;

public:
    void attach(Observer* observer) {
        observers.push_back(observer);
    }

    void detach(Observer* observer) {
        observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());
    }

    void notify(const std::string& message) {
        for (auto observer : observers) {
            observer->update(message);
        }
    }
};

// 具体主题：任务
class Task : public Subject {
private:
    std::string status;

public:
    void setStatus(const std::string& newStatus) {
        status = newStatus;
        notify("Task status changed to: " + status);
    }
};

// 具体观察者
class TaskObserver : public Observer {
public:
    void update(const std::string& message) override {
        std::cout << "Observer received message: " << message << std::endl;
    }
};

int main() {
    Task task;
    TaskObserver observer1, observer2;

    task.attach(&observer1);
    task.attach(&observer2);

    task.setStatus("RUNNING");
    task.setStatus("COMPLETED");

    task.detach(&observer1);
    task.setStatus("FAILED");

    return 0;
}

通过观察者模式，我们能够灵活地实现任务状态变化的通知机制，而无需在任务类中直接管理观察者。

四、总结与展望

通过学习侯捷老师的《C++ 面向对象开发》课程，我对设计模式有了更深刻的理解，并将其应用到了实际项目中。侯捷老师清晰的讲解和丰富的实战案例让我受益匪浅。在学习过程中，我深刻体会到了设计模式的灵活性、代码的可维护性以及面向对象设计原则的重要性。
在未来的学习中，我将继续深入学习侯捷老师的其他课程，如《C++ STL 标准库与泛型编程》和《C++ 新标准 11/14》，进一步提升自己的 C++ 编程能力。我相信，在侯捷老师的指导下，我能够在 C++ 的世界中不断进步，成为一名优秀的开发者。
侯捷老师的 C++ 系列课程不仅让我掌握了丰富的知识，还让我学会了如何将这些知识应用到实际项目中。感谢侯捷老师的辛勤付出，让我在 C++ 的学习道路上找到了方向。


http://www.kler.cn/a/552934.html

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