C++四大设计模式：单例、工厂、观察者、策略

引言

在前面的文章中，我们学习了 C++ 语法、STL、数据结构。这些都是"怎么写代码"的工具。而设计模式解决的是更高层次的问题——"代码怎么组织才更好"。

设计模式是前辈们总结的、经过反复验证的代码组织方案。它不是凭空发明的，而是在无数项目中"踩坑"后提炼出的最佳实践。掌握设计模式，能让你写出更易维护、更易扩展、更易复用的代码。

本文聚焦 C++ 中最常用的四种设计模式：单例模式、工厂模式、观察者模式和策略模式。

第一部分：单例模式

一、什么是单例模式

保证一个类只有一个实例，并提供全局访问点。比如程序的配置管理器、日志系统、数据库连接池——这些东西整个程序只需要一份。

二、懒汉式（用到才创建）

#include <iostream> #include <mutex> using namespace std; class Singleton { private: static Singleton* instance; static mutex mtx; // 构造函数私有！外部不能 new Singleton() { cout << "单例创建" << endl; } // 禁止拷贝和赋值 Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; public: // 全局访问点（线程安全） static Singleton* getInstance() { if (instance == nullptr) { lock_guard<mutex> lock(mtx); // 加锁 if (instance == nullptr) { // 双重检查 instance = new Singleton(); } } return instance; } void doSomething() { cout << "工作" << endl; } }; // 静态成员初始化 Singleton* Singleton::instance = nullptr; mutex Singleton::mtx; int main() { Singleton* s1 = Singleton::getInstance(); Singleton* s2 = Singleton::getInstance(); cout << (s1 == s2) << endl; // 1（同一个对象） // Singleton s3; // 错误！构造私有 }

为什么用双重检查锁？

三、C++11 最简写法（推荐）

C++11 保证了静态局部变量的线程安全，一行搞定：

class Singleton { private: Singleton() = default; Singleton(const Singleton&) = delete; Singleton& operator=(const Singleton&) = delete; public: static Singleton& getInstance() { static Singleton instance; // C++11 保证线程安全！ return instance; } };

第二部分：工厂模式

一、简单工厂

把对象的创建逻辑集中到一个工厂类中，调用者不需要知道具体怎么创建。

#include <iostream> #include <string> using namespace std; // 产品基类 class Animal { public: virtual void speak() = 0; virtual ~Animal() = default; }; // 具体产品 class Dog : public Animal { public: void speak() override { cout << "汪汪" << endl; } }; class Cat : public Animal { public: void speak() override { cout << "喵喵" << endl; } }; // 简单工厂 class AnimalFactory { public: static Animal* createAnimal(const string& type) { if (type == "dog") return new Dog(); if (type == "cat") return new Cat(); return nullptr; } }; int main() { Animal* dog = AnimalFactory::createAnimal("dog"); dog->speak(); // 汪汪 Animal* cat = AnimalFactory::createAnimal("cat"); cat->speak(); // 喵喵 delete dog; delete cat; }

二、工厂方法模式

每个具体产品对应一个具体工厂，新增产品时不修改已有代码（开闭原则）。

// 抽象工厂 class AnimalFactory { public: virtual Animal* createAnimal() = 0; virtual ~AnimalFactory() = default; }; // 具体工厂 class DogFactory : public AnimalFactory { public: Animal* createAnimal() override { return new Dog(); } }; class CatFactory : public AnimalFactory { public: Animal* createAnimal() override { return new Cat(); } }; int main() { DogFactory dogFactory; Animal* dog = dogFactory.createAnimal(); dog->speak(); // 汪汪 CatFactory catFactory; Animal* cat = catFactory.createAnimal(); cat->speak(); // 喵喵 delete dog; delete cat; }

第三部分：观察者模式

定义一对多依赖关系，当被观察者状态变化时，自动通知所有观察者。比如 GUI 的事件监听、消息订阅通知。

#include <iostream> #include <vector> #include <string> #include <algorithm> using namespace std; // 观察者接口 class Observer { public: virtual void update(const string& message) = 0; virtual ~Observer() = default; }; // 被观察者 class Subject { private: vector<Observer*> observers; string state; public: // 注册观察者 void attach(Observer* obs) { observers.push_back(obs); } // 移除观察者 void detach(Observer* obs) { observers.erase( remove(observers.begin(), observers.end(), obs), observers.end() ); } // 通知所有观察者 void notify() { for (auto* obs : observers) { obs->update(state); } } // 改变状态并通知 void setState(const string& newState) { state = newState; notify(); // 状态一改变就通知 } }; // 具体观察者 class User : public Observer { private: string name; public: User(const string& name) : name(name) {} void update(const string& message) override { cout << name << " 收到通知：" << message << endl; } }; int main() { Subject subject; User alice("Alice"); User bob("Bob"); subject.attach(&alice); subject.attach(&bob); subject.setState("新版本发布了！"); // Alice 收到通知：新版本发布了！ // Bob 收到通知：新版本发布了！ subject.detach(&bob); subject.setState("服务器维护中..."); // Alice 收到通知：服务器维护中... // （Bob 已取消订阅，不会收到） }

第四部分：策略模式

定义一系列算法，把它们封装起来，让它们可以互相替换。比如排序可以选快排、归并；支付可以选微信、支付宝。

#include <iostream> #include <vector> #include <algorithm> using namespace std; // 策略接口 class SortStrategy { public: virtual void sort(vector<int>& data) = 0; virtual ~SortStrategy() = default; }; // 具体策略：升序 class AscendingSort : public SortStrategy { public: void sort(vector<int>& data) override { std::sort(data.begin(), data.end()); } }; // 具体策略：降序 class DescendingSort : public SortStrategy { public: void sort(vector<int>& data) override { std::sort(data.begin(), data.end(), greater<int>()); } }; // 使用策略的类 class DataProcessor { private: SortStrategy* strategy; public: void setStrategy(SortStrategy* s) { strategy = s; } void process(vector<int>& data) { if (strategy) { strategy->sort(data); } } }; int main() { vector<int> data = {5, 2, 8, 1, 9}; DataProcessor processor; AscendingSort asc; DescendingSort desc; // 用升序策略 processor.setStrategy(&asc); processor.process(data); // 1 2 5 8 9 // 切换到降序策略 processor.setStrategy(&desc); processor.process(data); // 9 8 5 2 1 }

策略模式的核心：用组合代替继承，算法可以在运行时灵活切换，不需要改代码。

总结

一、四种模式速查

二、一句话记忆

单例构造私有化保证全局唯一，工厂把创建和使用分离，观察者实现一对多自动通知，策略让算法可以随时替换——四大模式都是为了让代码更灵活、更好改、更好测。