【C++设计模式之装饰模式:结构型】分析及示例

装饰模式（Decorator Pattern）是一种结构型设计模式，它允许在运行时动态地给一个对象添加额外的行为。

描述

装饰模式通过创建一个包装器（Wrapper）来包裹原始对象，并在原始对象的行为前后添加额外的功能。通过这种方式，可以实现在不改变原始对象结构的情况下，动态地给对象添加新的功能。

原理

装饰模式的核心思想是使用继承和组合。创建一个装饰器类，它继承自原始对象所属的抽象类或接口，并且内部持有一个原始对象的引用。装饰器类通过重写原始对象的方法，并在方法的前后添加额外的行为逻辑。

类图

其中的各个类的作用如下：

抽象组件(Component): 可以是接口或者抽象类，它定义了具体类以及装饰器所拥有的方法。
具体组件(ComponentA, ComponentB):具体的组件，实现或者继承自抽象组件。可以理解成上述场景中已存在的类。
抽象装饰器(Decorator):通常为抽象类，持有一个被装饰的对象，定义了具体装饰器的方法。此类非必须也可以没有，具体装饰器也可直接继承或者实现抽象组件。
具体装饰器(DecoratorX, DecoratorY):具体的装饰器，继承自抽象装饰器(也可直接继承自抽象组件)，扩展了抽象组件的某些功能。

示例

假设有一个咖啡店，咖啡有不同种类（如浓缩咖啡、美式咖啡）和不同口味的添加物（如牛奶、糖）。希望能够动态地给咖啡添加不同的口味，而不需要修改咖啡类的代码。

首先，定义一个咖啡的抽象类（Coffee），其中包含一个获取描述的方法（getDescription）和获取价格的方法（getPrice）。
然后，创建具体的咖啡类（Espresso、Americano），它们各自实现了抽象类的方法。
接下来，创建一个装饰器类（CoffeeDecorator），它也继承自咖啡的抽象类，并持有一个咖啡对象的引用。
装饰器类可以通过重写抽象类的方法，在方法的前后添加额外的行为。

C++示例代码如下：

// 咖啡抽象类
class Coffee {
public:
    virtual string getDescription() = 0;
    virtual double getPrice() = 0;
// 浓缩咖啡
class Espresso : public Coffee {
public:
    string getDescription() override {
        return "Espresso";
    }

    double getPrice() override {
        return 1.99;
    }
};

// 美式咖啡
class Americano : public Coffee {
public:
    string getDescription() override {
        return "Americano";
    }

    double getPrice() override {
        return 2.39;
    }
};

// 咖啡装饰器类
class CoffeeDecorator : public Coffee {
protected:
    Coffee* coffee;

public:
    CoffeeDecorator(Coffee* coffee) : coffee(coffee) {}

    string getDescription() override {
        return coffee->getDescription();
    }

    double getPrice() override {
        return coffee->getPrice();
    }
};

// 牛奶装饰器
class MilkDecorator : public CoffeeDecorator {
public:
    MilkDecorator(Coffee* coffee) : CoffeeDecorator(coffee) {}

    string getDescription() override {
        return coffee->getDescription() + ", Milk";
    }

    double getPrice() override {
        return coffee->getPrice() + 0.5;
    }
};

// 糖装饰器
class SugarDecorator : public CoffeeDecorator {
public:
    SugarDecorator(Coffee* coffee) : CoffeeDecorator(coffee) {}

    string getDescription() override {
        return coffee->getDescription() + ", Sugar";
    }

    double getPrice() override {
        return coffee->getPrice() + 0.3;
    }
};

// 使用示例
int main() {
    Coffee* espresso = new Espresso();
    cout << "Description: " << espresso->getDescription() << endl;
    cout << "Price: $" << espresso->getPrice() << endl;

    Coffee* espressoWithMilk = new MilkDecorator(espresso);
    cout << "Description: " << espressoWithMilk->getDescription() << endl;
    cout << "Price: $" << espressoWithMilk->getPrice() << endl;

    delete espresso;
    espresso = 0;
    delete espressoWithMilk;
    espressoWithMilk = 0;

    return 0;
}

输出结果

Description: Espresso
Price: $1.99
Description: Espresso, Milk
Price: $2.49
首先，输出浓缩咖啡（Espresso）的描述为"Espresso"，价格为$1.99。
然后，输出牛奶装饰器（MilkDecorator）装饰后的浓缩咖啡的描述为"Espresso, Milk"，价格为$2.49。

解释

在上述示例中，定义了咖啡的抽象类（Coffee），并创建了具体的浓缩咖啡类（Espresso）和美式咖啡类（Americano）。
然后，创建了一个咖啡装饰器类（CoffeeDecorator），它继承自咖啡的抽象类，并持有一个咖啡对象的引用。
进一步，创建了具体的装饰器类，如牛奶装饰器（MilkDecorator）和糖装饰器（SugarDecorator），它们分别继承自咖啡装饰器类。

在示例中，首先创建了一个浓缩咖啡对象，并输出其描述和价格。
然后，用牛奶装饰器（MilkDecorator）装饰该浓缩咖啡对象，再次输出描述和价格。
可以看到，装饰器类在不改变原始咖啡对象的情况下，给其添加了额外的行为。

结论

装饰模式通过包装原始对象，在不改变其结构的前提下，动态地给对象添加额外的功能。这样可以实现代码的易扩展性和灵活性。

应用场景

装饰模式适用于以下情况：

1. 当需要给一个对象动态地添加额外的行为时；
2. 当需要在不改变对象结构的情况下，对对象的某些行为进行扩展；
3. 当不适合使用继承来扩展对象功能时。

装饰模式可以应用于各种场景，如日志记录、权限验证、性能监控等。它可以灵活地给对象添加多个装饰器，实现各种组合效果，且与原始对象无关。