设计模式（四）结构型模式

前言

结构型设计模式，主要研究：

主要有哪些场景使用结构型设计模式；
每种场景应该使用何种设计模式；
以程序中的功能为核心，研究程序功能的组织结构。所以这一章，我们要把“功能结构”作为研究的核心。

下面分别对几种结构型模式加以说明。

1. 适配器模式

示例：适配器模式

使用场景

想要在系统中添加某个功能，类似的功能在其他项目中已经实现，而且经过分析，旧的接口可以经过适当的封装，转换成新的适用于当前系统的接口。这样可以最大程度地复用已有的模块。

原理

通过适配器将已有功能的旧的接口，转换为新的接口，从而实现使已有的功能为新的系统服务的目的。

不适用的情况

以下情况下，不要使用适配器模式：

旧的接口无法转换成新的接口；
写适配器的工作量几乎可以重写所需的功能时。

使用须知

适配器模式其实是一种取巧的做法，在使用时需要慎重考虑。已有功能通过适配器集成到新的系统后，如果出现问题或者需要进行功能扩展，其维护成本是一个需要考虑的问题。例如，已有功能是否使用了过时的技术，或者资料不全，都可能成为项目的风险所在。

本质

适配器模式本质上是通过将一接口封装成另一种接口，实现了模块功能复用。

2. 桥接模式

示例：桥接模式

使用场景

桥接模式是少用继承，多用组合的第一例。
拿菜鸟教程中的例子来说，假如我们现在要实现圆类，包括红色圆和绿色圆两种圆。
首先容易想到的方法是，先写一个圆基类，并添加一个虚(virtual)的绘制函数。然后分别派生出红色圆类和绿色圆类，在子类中分别重新实现绘制函数，将圆绘制成指定的颜色。
在这种简单的例子中，使用继承是没什么问题的。但是假如圆基类还有一个虚函数，此虚函数用于对圆进行旋转。旋转分为两种，顺时针和逆时针旋转。我们想要四种类型的圆：

顺时针旋转的红色圆
顺时针旋转的绿色圆
逆时针旋转的红色圆
逆时针旋转的绿色圆

如何使用继承来实现呢？难道要派生出四个子类吗？如果还有其他功能组合呢？要多少个类呢？这样下去无疑会导致“类的数量爆炸”问题。

原理

结构型模式是研究程序功能组织方法的设计模式。当程序中需要对几种功能相互组合时，应该用组合，不要用继承。
桥接模式下，对于每个功能，应该提取出一个接口类，这个接口类可以有不同的实现。而代表不同的功能接口，可以作为主体类（此例中为圆类）的成员变量，放在一起。需要什么功能，就new哪种接口子类，保存在接口变量中，这样就可以把不同的功能组合起来。
这样一来，类的数量会保持在最低水平。

相对于继承，桥接模式相当于把主体类中的每个虚函数都单独提取出来，构成一个接口类。这个接口类连接了具体实现和主体类，所以这个模式叫桥接模式。这个名字其实不是很能反映此模式的内涵，其实叫“功能组合模式”更为贴切。

可能有的小伙伴会说，上面的功能其实用C语言实现不是更简单吗？

用一个结构体代表圆，有半径、边框宽度等属性；
每种功能就是一个函数，参数为圆的结构体。

这不就完成了吗？是的！
这个场景下，确实使用C语言实现更简单，不需要使用C++面向对象的任何特性即可实现。可以看出，C++的面向对象的特性，并不是万能的，并不是在所有情况下都是最优的，甚至有时候不如C语言简单直接。从另一个角度说明，大家在面向对象编程的时候，不要把自己的思维局限于面向对象，面向对象思想在一些时候，是不如面向过程的，甚至会把功能结构复杂化，设计到最后导致代码难以维护都是有可能的。

使用须知

桥接模式会导致代码中存在设计模式的代码，会增加代码的理解难度。相对来说，积极作用还是远大于副作用的。

本质

桥接模式的本质是：

如果项目中出现了功能组合的场景，使用继承封装功能是错误做法，要把功能单独提取出来分别封装好以后，再进行组合。

3. 过滤器模式

示例：过滤器模式

使用场景

现有一组对象，我们想要根据不同的过滤条件，筛选出符合条件的一部分对象。

一般写法

最简单粗暴的方法是，在需要进行筛选过滤的地方，直接遍历对象数组，在循环体内进行条件判断。这种写法的优点是简单直接，缺点是如果有多个地方需要使用筛选过滤功能，则需要在多个地方编写重复的代码，这会降低代码的复用性和可维护性。

本质

过滤器模式的本质是：

当需要从一组对象中过滤出一部分符合条件的对象时，可以考虑将每种过滤功能都封装为一个类，提高代码复用性和可维护性。

4. 组合模式

示例：组合模式

组合模式是一种树形的对象组织结构，在建造者模式已有相关说明，这里不再赘述。

5. 装饰器模式

示例：装饰器模式

使用场景

装饰器模式的研究对象有两个：

已有功能
扩展功能

当我们需要扩展一个类的功能，但是又不想直接在此类上进行改动时，一般的做法是使用继承来实现。继承出来的子类具有父类的属性和方法，在父类基础上可以添加新的功能。
除了继承，还可以使用装饰器模式。装饰器模式是指，新建一个扩展类，将被扩展类的对象作为扩展类的成员变量保存，在扩展类中，操作被扩展类，实现新的方法和功能。
简单来说，装饰器模式就是新建一个类把已有类的功能包装起来，实现新的功能。

使用须知

装饰器模式和继承各有优缺点，使用时要加以权衡，选择最优的方案。

本质

从本质上说：

装饰器模式通过将已有功能作为成员变量整个封装（包装）起来，扩展的新功能，和已有功能耦合最小，互不影响。

6. 外观模式

示例：装饰器模式

本质

这个模式比较简单不再赘述。其本质是：

将已有功能封装起来，提供更易于使用的接口，屏蔽更多实现细节，等于是加了一个中间层。

7. 享元模式

示例：享元模式

按照我们的分类，此模式应该属于创建型模式。它是借助工厂模式来实现一个对象缓冲池，减少对象数量，加速创建速度。这里不再赘述。

8. 代理模式

示例：代理模式

应用场景

代理模式就是中介模式。例如我们想要租房，原本租房是发生在租客和房东之间的事务，但中介的出现，虽然会有一定的费用（损耗），但是整个过程的推进会更加顺利。代理模式，用来将两个比较难以直接沟通的功能主体关联起来，实现二者交互。

使用须知

和租房找中介一样，只有在必要的时候才找，否则就是浪费资源，只有在非用不可的时候才建议使用代理模式。

本质

代理模式的本质是：

代理模式封装了沟通所需的所有功能，将两个难以直接沟通的功能主体连接起来，起到了桥梁作用。

结语

结构型模式，就是以功能为核心，研究功能转换、功能调用、功能组合、功能封装等各种情形下，将哪些功能封装到哪些类中，更加高效地实现需求，提升代码的可维护性。