新谈设计模式 Chapter 22 — 访问者模式 Visitor

Chapter 22 — 访问者模式 Visitor

灵魂速记：体检——不同科室的医生，检查同一个人的不同部位。人不变，检查方式随便加。

秒懂类比

你去医院体检：

• 内科医生来了，给你量血压、听心肺
• 眼科医生来了，给你测视力
• 牙科医生来了，给你检查牙齿

你（数据结构）没变，但来了不同的医生（访问者），对你做不同的操作。以后加一个"皮肤科"？加一个医生就行，你不用改。

问题引入

// 灾难现场：给形状类不断添加操作classShape{virtualvoiddraw()=0;// 第一天的需求virtualdoublearea()=0;// 第二天加的virtualvoidexportXML()=0;// 第三天加的virtualvoidexportJSON()=0;// 第四天加的virtualvoidprint()=0;// 第五天加的……// Shape 类越来越胖，每加一种操作，所有子类都要改};

问题：每次加新操作，要改 Shape + Circle + Rectangle + Triangle……所有类。

反转思路：能不能不改类，把新操作放到外面？

模式结构

┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │ Element │ │ Visitor │ ├─────────────┤ ├─────────────┤ │+accept(v) { │ │+visitCircle │ │ v.visit(this)│ ←──────│+visitRect │ │} │ 双重 │+visitTriangle│ └──────┬──────┘ 分派 └──────┬──────┘ │ │ ┌────┴────┐ ┌─────┴─────┐ │Circle │ │AreaCalc │ │Rect │ │XMLExporter │ │Triangle │ │JSONExporter│ └─────────┘ └───────────┘ 元素稳定不变 操作可以随意添加

关键词：双重分派（Double Dispatch）

C++ 实现

#include<iostream>#include<memory>#include<string>#include<vector>#include<cmath>// 前向声明classCircle;classRectangle;classTriangle;// ========== 访问者接口 ==========classShapeVisitor{public:virtual~ShapeVisitor()=default;virtualvoidvisit(constCircle&circle)=0;virtualvoidvisit(constRectangle&rect)=0;virtualvoidvisit(constTriangle&tri)=0;};// ========== 元素接口 ==========classShape{public:virtual~Shape()=default;virtualvoidaccept(ShapeVisitor&visitor)const=0;// 注意：Shape 不需要 draw()、area()、export() 等方法// 这些操作全部放到 Visitor 中};// ========== 具体元素 ==========classCircle:publicShape{public:explicitCircle(doubleradius):radius_(radius){}doubleradius()const{returnradius_;}voidaccept(ShapeVisitor&visitor)constoverride{visitor.visit(*this);// 关键：把自己传给 visitor}private:doubleradius_;};classRectangle:publicShape{public:Rectangle(doublew,doubleh):width_(w),height_(h){}doublewidth()const{returnwidth_;}doubleheight()const{returnheight_;}voidaccept(ShapeVisitor&visitor)constoverride{visitor.visit(*this);}private:doublewidth_,height_;};classTriangle:publicShape{public:Triangle(doublebase,doubleheight):base_(base),height_(height){}doublebase()const{returnbase_;}doubleheight()const{returnheight_;}voidaccept(ShapeVisitor&visitor)constoverride{visitor.visit(*this);}private:doublebase_,height_;};// ========== 具体访问者1：计算面积 ==========classAreaCalculator:publicShapeVisitor{public:voidvisit(constCircle&c)override{doublearea=M_PI*c.radius()*c.radius();totalArea_+=area;std::cout<<" ○ 圆(r="<<c.radius()<<") 面积="<<area<<"\n";}voidvisit(constRectangle&r)override{doublearea=r.width()*r.height();totalArea_+=area;std::cout<<" □ 矩形("<<r.width()<<"×"<<r.height()<<") 面积="<<area<<"\n";}voidvisit(constTriangle&t)override{doublearea=0.5*t.base()*t.height();totalArea_+=area;std::cout<<" △ 三角形(b="<<t.base()<<",h="<<t.height()<<") 面积="<<area<<"\n";}doubletotalArea()const{returntotalArea_;}private:doubletotalArea_=0;};// ========== 具体访问者2：导出 JSON ==========classJSONExporter:publicShapeVisitor{public:voidvisit(constCircle&c)override{std::cout<<R"( {"type":"circle","radius":)"<<c.radius()<<"}\n";}voidvisit(constRectangle&r)override{std::cout<<R"( {"type":"rect","width":)"<<r.width()<<R"(,"height":)"<<r.height()<<"}\n";}voidvisit(constTriangle&t)override{std::cout<<R"( {"type":"triangle","base":)"<<t.base()<<R"(,"height":)"<<t.height()<<"}\n";}};intmain(){// 创建形状集合std::vector<std::unique_ptr<Shape>>shapes;shapes.push_back(std::make_unique<Circle>(5.0));shapes.push_back(std::make_unique<Rectangle>(4.0,6.0));shapes.push_back(std::make_unique<Triangle>(3.0,8.0));shapes.push_back(std::make_unique<Circle>(2.0));// 访问者1：计算面积std::cout<<"=== 计算面积 ===\n";AreaCalculator areaCalc;for(constauto&shape:shapes){shape->accept(areaCalc);// 双重分派！}std::cout<<"总面积: "<<areaCalc.totalArea()<<"\n";// 访问者2：导出 JSON（不需要改任何 Shape 代码！）std::cout<<"\n=== 导出 JSON ===\n";JSONExporter jsonExporter;for(constauto&shape:shapes){shape->accept(jsonExporter);}}

输出：

=== 计算面积 === ○ 圆(r=5) 面积=78.5398 □ 矩形(4×6) 面积=24 △ 三角形(b=3,h=8) 面积=12 ○ 圆(r=2) 面积=12.5664 总面积: 127.106 === 导出 JSON === {"type":"circle","radius":5} {"type":"rect","width":4,"height":6} {"type":"triangle","base":3,"height":8} {"type":"circle","radius":2}

双重分派的秘密

为什么叫"双重分派"？因为最终调用的方法取决于两个对象的类型：

shape->accept(visitor);// 第一次分派：根据 shape 的实际类型（Circle），调用 Circle::accept// Circle::accept(visitor) { visitor.visit(*this); }// 第二次分派：根据 visitor 的实际类型（AreaCalculator），调用 AreaCalculator::visit(Circle&)// 两次虚函数调用 → 同时根据 shape 和 visitor 的类型决定行为

C++ 不直接支持多重分派，Visitor 模式用两次单分派模拟了双重分派。

什么时候用？

⚠️Visitor 的软肋：如果要加新的元素类型（比如加个 Pentagon），所有 Visitor 子类都要改。它擅长加"操作"，不擅长加"元素"。

防混淆

Visitor vs Strategy

Visitor vs Iterator

现代 C++ 替代方案：std::variant+std::visit

C++17 提供了内置的访问者模式支持：

#include<variant>#include<vector>#include<cmath>structCircle{doubleradius;};structRect{doublew,h;};// variant 可以持有 Circle 或 Rect 中的任一种usingShape=std::variant<Circle,Rect>;// overloaded 辅助模板——让多个 lambda 合并成一个可调用对象// 这是 C++17 的常见技巧：// 1. 继承所有传入的 lambda 类型// 2. 用 using Ts::operator()... 把它们的 operator() 全部暴露出来// 3. std::visit 会根据 variant 里实际存的类型，调用匹配的那个 lambdatemplate<class...Ts>structoverloaded:Ts...{usingTs::operator()...;};// 推导指南（C++17 CTAD），让编译器自动推导模板参数template<class...Ts>overloaded(Ts...)->overloaded<Ts...>;intmain(){std::vector<Shape>shapes={Circle{5},Rect{4,6},Circle{2}};for(constauto&shape:shapes){// std::visit 根据 variant 实际类型，分派到对应的 lambdadoublearea=std::visit(overloaded{[](constCircle&c){returnM_PI*c.radius*c.radius;},[](constRect&r){returnr.w*r.h;},// 如果你漏了某个类型的 lambda，编译直接报错！// 这比虚函数版本安全——虚函数版忘写一个 visit 重载只会在运行时出问题},shape);std::cout<<"面积: "<<area<<"\n";}}

优势：没有虚函数调用开销，编译期检查所有类型必须处理，代码更紧凑。适合元素类型在编译期已知且数量不多的场景。