C++ Policy-Based Design：策略模式与模板的灵活组合

好的，各位观众，各位朋友，欢迎来到“C++ Policy-Based Design：策略模式与模板的灵活组合”讲座现场！我是今天的讲师，一个在代码堆里摸爬滚打多年的老码农。今天咱们不聊虚的，就聊聊C++里一个既强大又灵活的设计模式——基于策略的设计（Policy-Based Design）。

开场白：代码世界里的选择困难症

话说，咱们程序员最怕什么？不是BUG，不是加班，而是改需求！需求一变，代码就得跟着变。更可怕的是，有些需求它不是“变”，而是“增加”。比如，一个类，一开始只需要一种行为，后来老板说：“小伙子，加个功能，让它还能这样，还能那样……” 于是，我们的类就像八爪鱼一样，伸出了各种各样的触手，臃肿不堪。

这时候，我们就需要一种方法，能够优雅地、可扩展地处理这些“多重人格”的需求。而基于策略的设计，就是一把锋利的瑞士军刀，可以帮助我们应对这种选择困难症。

什么是基于策略的设计？

简单来说，基于策略的设计就是把一个类的某些可变的行为（也就是策略），提取出来，放到独立的策略类中。然后在主类中，通过模板参数来指定使用哪个策略。

这听起来有点抽象，咱们举个例子。假设我们要设计一个排序算法。一开始，我们只实现了冒泡排序。后来，客户说：“我要快速排序！” 再后来，又说：“我要归并排序！” 如果我们把所有的排序算法都塞到一个类里，那这个类就太臃肿了。

所以，我们可以把每种排序算法都封装成一个策略类：

// 冒泡排序策略
struct BubbleSort {
  template <typename T>
  void sort(T* begin, T* end) {
    // 冒泡排序的具体实现
    for (auto i = begin; i != end; ++i) {
      for (auto j = begin; j != end - 1; ++j) {
        if (*j > *(j + 1)) {
          std::swap(*j, *(j + 1));
        }
      }
    }
  }
};

// 快速排序策略
struct QuickSort {
  template <typename T>
  void sort(T* begin, T* end) {
    // 快速排序的具体实现 (省略，可以用标准库的)
    std::sort(begin, end); //偷个懒，直接用标准库的
  }
};

// 归并排序策略
struct MergeSort {
  template <typename T>
  void sort(T* begin, T* end) {
    // 归并排序的具体实现 (省略，可以用标准库的)
    std::stable_sort(begin, end); //偷个懒，直接用标准库的
  }
};

然后，我们创建一个排序器类，它接受一个模板参数，用来指定使用哪个策略：

template <typename SortingStrategy>
class Sorter {
public:
  template <typename T>
  void sort(T* begin, T* end) {
    SortingStrategy().sort(begin, end);
  }
};

这样，我们就可以根据需要，选择不同的排序策略了：

int main() {
  int arr[] = {5, 2, 8, 1, 9, 4};
  int size = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

  // 使用冒泡排序
  Sorter<BubbleSort> bubbleSorter;
  bubbleSorter.sort(arr, arr + size);
  for (int i = 0; i < size; ++i) {
    std::cout << arr[i] << " "; // 输出：1 2 4 5 8 9
  }
  std::cout << std::endl;

  // 使用快速排序
  Sorter<QuickSort> quickSorter;
  quickSorter.sort(arr, arr + size);
  for (int i = 0; i < size; ++i) {
    std::cout << arr[i] << " "; // 输出：1 2 4 5 8 9
  }
  std::cout << std::endl;

  return 0;
}

看到了吗？我们通过模板参数，动态地指定了排序算法。这样，我们的排序器类就变得非常灵活，可以轻松地扩展到更多的排序算法。

基于策略的设计的优势

• 灵活性： 可以根据需要，选择不同的策略。
• 可扩展性： 可以很容易地添加新的策略，而不需要修改主类。
• 解耦合： 主类和策略类之间是解耦合的，可以独立地修改和测试。
• 代码重用： 策略类可以在不同的主类中重用。
• 编译时多态： 策略的选择是在编译时进行的，避免了运行时的开销。

基于策略的设计的要素

要玩转基于策略的设计，我们需要掌握几个关键要素：

1. 策略接口： 这是所有策略类都必须实现的接口。它可以是一个类、一个模板类，或者仅仅是一个函数。
2. 策略类： 这是具体的策略实现，它实现了策略接口。
3. 宿主类（Host Class）： 这是使用策略的类，它通过模板参数来指定使用哪个策略。

一个更复杂的例子：日志系统

咱们来一个更复杂的例子，设计一个日志系统。一个好的日志系统，应该能够支持多种输出方式（控制台、文件、数据库等），多种格式（文本、JSON、XML等），以及多种级别（DEBUG、INFO、WARN、ERROR等）。

如果我们把所有的这些功能都塞到一个类里，那这个类就太可怕了。所以，我们可以使用基于策略的设计，把这些功能都分解成独立的策略：

• 输出策略（OutputPolicy）： 负责将日志信息输出到不同的目标。
• 格式化策略（FormatPolicy）： 负责将日志信息格式化成不同的格式。
• 级别策略（LevelPolicy）： 负责过滤不同级别的日志信息。

1. 输出策略

// 输出策略的基类
struct OutputPolicy {
  virtual void output(const std::string& message) = 0;
  virtual ~OutputPolicy() = default; // 记得定义虚析构函数，以防止内存泄漏
};

// 输出到控制台的策略
struct ConsoleOutput : public OutputPolicy {
  void output(const std::string& message) override {
    std::cout << message << std::endl;
  }
};

// 输出到文件的策略
struct FileOutput : public OutputPolicy {
  FileOutput(const std::string& filename) : filename_(filename) {}
  void output(const std::string& message) override {
    std::ofstream file(filename_, std::ios::app);
    if (file.is_open()) {
      file << message << std::endl;
      file.close();
    } else {
      std::cerr << "Failed to open file: " << filename_ << std::endl;
    }
  }
private:
  std::string filename_;
};

2. 格式化策略

// 格式化策略的基类
struct FormatPolicy {
  virtual std::string format(const std::string& message, const std::string& level) = 0;
  virtual ~FormatPolicy() = default;
};

// 文本格式化策略
struct TextFormat : public FormatPolicy {
  std::string format(const std::string& message, const std::string& level) override {
    return "[" + level + "] " + message;
  }
};

// JSON格式化策略
struct JsonFormat : public FormatPolicy {
  std::string format(const std::string& message, const std::string& level) override {
    std::stringstream ss;
    ss << "{"level":"" << level << "", "message":"" << message << ""}";
    return ss.str();
  }
};

3. 级别策略

// 日志级别枚举
enum class LogLevel {
  DEBUG,
  INFO,
  WARN,
  ERROR
};

// 级别策略的基类
struct LevelPolicy {
  virtual bool shouldLog(LogLevel level) = 0;
  virtual ~LevelPolicy() = default;
};

// 允许所有级别的策略
struct AllLevels : public LevelPolicy {
  bool shouldLog(LogLevel level) override {
    return true;
  }
};

// 只允许ERROR级别及以上的策略
struct ErrorOnly : public LevelPolicy {
  bool shouldLog(LogLevel level) override {
    return level == LogLevel::ERROR;
  }
};

//允许WARN级别及以上的策略
struct WarnAndAbove : public LevelPolicy{
  bool shouldLog(LogLevel level) override {
    return level == LogLevel::WARN || level == LogLevel::ERROR;
  }
};

4. 日志类

template <typename OutputPolicyType, typename FormatPolicyType, typename LevelPolicyType>
class Logger {
public:
  Logger(OutputPolicyType outputPolicy, FormatPolicyType formatPolicy, LevelPolicyType levelPolicy)
  : outputPolicy_(outputPolicy), formatPolicy_(formatPolicy), levelPolicy_(levelPolicy) {}

  void debug(const std::string& message) {
    log(message, LogLevel::DEBUG);
  }

  void info(const std::string& message) {
    log(message, LogLevel::INFO);
  }

  void warn(const std::string& message) {
    log(message, LogLevel::WARN);
  }

  void error(const std::string& message) {
    log(message, LogLevel::ERROR);
  }

private:
  void log(const std::string& message, LogLevel level) {
    if (levelPolicy_.shouldLog(level)) {
      std::string levelString;
      switch (level) {
        case LogLevel::DEBUG: levelString = "DEBUG"; break;
        case LogLevel::INFO: levelString = "INFO"; break;
        case LogLevel::WARN: levelString = "WARN"; break;
        case LogLevel::ERROR: levelString = "ERROR"; break;
      }
      std::string formattedMessage = formatPolicy_.format(message, levelString);
      outputPolicy_.output(formattedMessage);
    }
  }

private:
  OutputPolicyType outputPolicy_;
  FormatPolicyType formatPolicy_;
  LevelPolicyType levelPolicy_;
};

使用示例

int main() {
  // 创建一个输出到控制台，使用文本格式，允许所有级别的日志记录器
  Logger<ConsoleOutput, TextFormat, AllLevels> logger1(ConsoleOutput(), TextFormat(), AllLevels());
  logger1.debug("This is a debug message.");
  logger1.info("This is an info message.");
  logger1.warn("This is a warning message.");
  logger1.error("This is an error message.");

  // 创建一个输出到文件，使用JSON格式，只允许ERROR级别及以上的日志记录器
  Logger<FileOutput, JsonFormat, ErrorOnly> logger2(FileOutput("error.log"), JsonFormat(), ErrorOnly());
  logger2.debug("This debug message will not be logged.");
  logger2.info("This info message will not be logged.");
  logger2.warn("This warning message will not be logged.");
  logger2.error("This is a critical error message.");

  //创建一个输出到控制台，使用文本格式，允许WARN级别及以上的日志记录器
  Logger<ConsoleOutput, TextFormat, WarnAndAbove> logger3(ConsoleOutput(), TextFormat(), WarnAndAbove());
  logger3.debug("This debug message will not be logged.");
  logger3.info("This info message will not be logged.");
  logger3.warn("This is a warning message.");
  logger3.error("This is an error message.");

  return 0;
}

在这个例子中，我们通过模板参数，灵活地组合了不同的输出策略、格式化策略和级别策略。这样，我们的日志系统就变得非常强大，可以满足各种各样的需求。

Policy Class 作为参数

注意，在上面的例子中，我们的Logger类的构造函数需要传入策略类的 对象。这允许你在运行时改变策略的行为，比如在构造FileOutput时指定不同的文件名。

小结：Policy-Based Design的威力

基于策略的设计，是一种非常强大的设计模式，它可以帮助我们编写出灵活、可扩展、易于维护的代码。它通过将可变的行为提取到独立的策略类中，并通过模板参数来指定使用哪个策略，从而实现了代码的解耦合和重用。

一些需要注意的地方

• 策略接口的设计： 策略接口的设计非常重要，它决定了策略类的灵活性和可扩展性。一般来说，策略接口应该尽量简单，只包含最基本的操作。
• 模板参数的数量： 模板参数的数量不宜过多，否则会使代码变得难以阅读和维护。如果策略的数量过多，可以考虑使用组合模式或者其他设计模式来简化代码。
• 编译时间： 基于策略的设计使用了模板，因此可能会增加编译时间。但是，由于策略的选择是在编译时进行的，因此可以避免运行时的开销。
• 代码可读性： 复杂的策略组合可能会降低代码的可读性。因此，在使用基于策略的设计时，应该注意代码的清晰度和可读性。可以使用类型别名 (using) 来简化模板参数的声明。

Policy-Based Design的常见应用场景

• 排序算法： 可以使用基于策略的设计来实现不同的排序算法。
• 容器： 可以使用基于策略的设计来实现不同的内存分配策略、同步策略等。
• 日志系统： 可以使用基于策略的设计来实现不同的输出策略、格式化策略等。
• 网络协议： 可以使用基于策略的设计来实现不同的传输协议、安全协议等。
• 图形渲染： 可以使用基于策略的设计来实现不同的渲染算法、纹理过滤算法等。

表格总结

特性	优势	劣势	适用场景
灵活性	高，可以在编译时选择不同的行为。	代码可能变得复杂，需要仔细设计策略接口。	需要在编译时确定行为，并且行为有多种可能的情况。
可扩展性	高，可以很容易地添加新的策略，而不需要修改主类。	过多的策略可能导致模板膨胀，增加编译时间。	需要支持多种行为，并且将来可能需要添加新的行为。
解耦合	高，主类和策略类之间是解耦合的，可以独立地修改和测试。	需要仔细设计策略接口，确保主类和策略类之间的交互清晰。	需要将类的某些行为与其他部分解耦，以便独立地修改和测试。
代码重用	高，策略类可以在不同的主类中重用。	需要确保策略类的通用性，以便在不同的主类中使用。	需要将类的某些行为在多个类中重用。
编译时多态	避免了运行时的开销。	编译时间可能会增加。	对性能要求较高，并且需要在编译时确定行为。

尾声：策略在手，天下我有！

好了，今天的讲座就到这里。希望通过今天的讲解，大家能够对基于策略的设计有一个更深入的了解。记住，在代码的世界里，选择很重要，有了基于策略的设计，我们就可以像选择自己喜欢的冰淇淋口味一样，自由地组合不同的功能，创造出更强大、更灵活的代码！感谢大家的收听，我们下次再见！

补充说明：静态策略与动态策略

虽然上面的例子主要集中在编译时选择策略（静态策略），但Policy-Based Design 也可以与运行时多态结合，实现运行时策略选择（动态策略）。这通常涉及使用虚函数和继承，就像最初的策略模式那样。

• 静态策略 (编译时多态)： 使用模板参数选择策略。优点是性能高，因为策略的选择在编译时完成。缺点是灵活性稍差，策略的选择需要在编译时确定。
• 动态策略 (运行时多态)： 使用虚函数和继承选择策略。优点是灵活性高，可以在运行时动态地切换策略。缺点是性能稍差，因为需要进行虚函数调用。

选择哪种方式取决于你的具体需求。如果性能是关键，并且策略的选择在编译时就可以确定，那么静态策略是更好的选择。如果灵活性更重要，并且需要在运行时动态地切换策略，那么动态策略是更好的选择。在实际应用中，可以将两者结合起来，以获得最佳的效果。