「软件设计模式」装饰者模式（Decorator）

深入解析装饰者模式：动态扩展功能的艺术（C++实现）

一、模式思想与应用场景

1.1 模式定义

装饰者模式（Decorator Pattern）是一种结构型设计模式，它通过将对象放入包含行为的特殊封装对象中，动态地为原始对象添加新功能，比继承更灵活。

1.2 核心优势

动态添加功能：运行时修改对象行为
避免类爆炸：替代多层次的继承结构
遵循开闭原则：扩展开放，修改关闭

1.3 典型应用场景

需要动态/透明地给对象添加职责
需要撤销已添加的功能
不适合使用子类扩展的情况
常见应用：
- GUI组件装饰
- 流处理（如Java I/O）
- 游戏角色装备系统
- 咖啡订单系统（本文示例）

二、模式结构与C++实现

2.1 UML类图解析

2.2 咖啡订单系统实现

基础组件接口

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
// 抽象组件
class Beverage {
public:virtual ~Beverage() = default;virtual std::string getDescription() const = 0;virtual double cost() const = 0;
};// 具体组件：浓缩咖啡
class Espresso : public Beverage {
public:std::string getDescription() const override {return "Espresso";}double cost() const override {return 1.99;}
};

装饰器基类

#include "component.h"
// 抽象装饰器
class CondimentDecorator : public Beverage {
public:explicit CondimentDecorator(std::unique_ptr<Beverage> beverage) : beverage_(std::move(beverage)) {}std::string getDescription() const override {return beverage_->getDescription();}double cost() const override {return beverage_->cost();}protected:std::unique_ptr<Beverage> beverage_;
};

具体装饰器实现

#include "decorator_abstract.h"// 牛奶装饰器
class Milk : public CondimentDecorator {
public:using CondimentDecorator::CondimentDecorator;std::string getDescription() const override {return beverage_->getDescription() + ", Milk";}double cost() const override {return beverage_->cost() + 0.45;}
};// 摩卡装饰器
class Mocha : public CondimentDecorator {
public:using CondimentDecorator::CondimentDecorator;std::string getDescription() const override {return beverage_->getDescription() + ", Mocha";}double cost() const override {return beverage_->cost() + 0.60;}
};

三、客户端使用示例

3.1 基础使用

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include "decorator_entity.h"int main() {// 创建基础咖啡std::unique_ptr<Beverage> coffee = std::make_unique<Espresso>();// 第一次装饰：加牛奶coffee = std::make_unique<Milk>(std::move(coffee));// 第二次装饰：加摩卡coffee = std::make_unique<Mocha>(std::move(coffee));// 输出结果std::cout << "Order: " << coffee->getDescription() << "\n"<< "Total Cost: $" << coffee->cost() << std::endl;return 0;
}

3.2 输出结果

Order: Espresso, Milk, Mocha
Total Cost: $3.04

四、模式深度解析

4.1 设计亮点

动态组合：通过嵌套装饰实现功能叠加
透明性：装饰器与组件接口一致
弹性扩展：新装饰器不影响现有代码
智能指针管理：自动内存管理

4.2 与传统继承对比

特性	继承方案	装饰者模式
扩展方式	编译时静态扩展	运行时动态组合
类数量	指数级增长（组合爆炸）	线性增长
功能叠加	固定组合	任意顺序组合
维护成本	修改基类影响所有子类	独立扩展互不影响

4.3 实现注意事项

接口一致性：装饰器必须完全实现组件接口
装饰顺序：不同装饰顺序可能影响最终结果
内存管理：
- 使用unique_ptr自动管理生命周期
- 禁止拷贝操作（示例中已隐式实现）
性能考量：多层嵌套可能影响性能

五、进阶实现技巧

5.1 装饰器撤销功能

// 移除装饰器类
template <typename T>
class RemovableDecorator : public CondimentDecorator {
public:using CondimentDecorator::CondimentDecorator;// 移除特定类型的装饰std::unique_ptr<Beverage> removeDecorator() {if (auto dec = dynamic_cast<T*>(beverage_.get())) {return std::move(dec->beverage_);}return std::move(beverage_);}std::string getDescription() const override {return beverage_->getDescription();}double cost() const override {return beverage_->cost();}
};

5.2 复合装饰器


// 复合装饰器 - 两倍装饰 将所选饮料配料翻倍
class DoubleDecorator : public CondimentDecorator {
public:using CondimentDecorator::CondimentDecorator;std::string getDescription() const override {return "'" + beverage_->getDescription() + "' x2";}double cost() const override {return beverage_->cost() * 2;}
};

5.3 调用方法

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include "decorator_entity.h"int main() {// 创建基础咖啡std::unique_ptr<Beverage> coffee = std::make_unique<Espresso>();// 第一次装饰：加牛奶coffee = std::make_unique<Milk>(std::move(coffee));// 第二次装饰：加摩卡coffee = std::make_unique<Mocha>(std::move(coffee));// 输出结果std::cout << "Order: " << coffee->getDescription() << "\n"<< "Total Cost: $" << coffee->cost() << std::endl;// 使用示例auto rmver = std::make_unique<RemovableDecorator<Mocha>>(std::move(coffee));coffee = rmver->removeDecorator();// 输出结果std::cout << "Order: " << coffee->getDescription() << "\n"<< "Total Cost after remove Mocha: $" << coffee->cost() << std::endl;coffee = std::make_unique<DoubleDecorator>(std::move(coffee));std::cout << "Order: " << coffee->getDescription() << "\n"<< "Total Cost after double order: $" << coffee->cost() << std::endl;return 0;
}

5.4 执行结果

Order: Espresso, Milk, Mocha // 初始点单
Total Cost: $3.04
Order: Espresso, Milk // 移除Mocha
Total Cost after remove Mocha: $2.44
Order: 'Espresso, Milk' x2 // 复合装饰器，double order
Total Cost after double order: $4.88

六、模式应用扩展

6.1 实际工程案例

图形界面组件：
- 滚动条装饰文本框
- 边框装饰图片组件
网络通信：
- 加密装饰数据流
- 压缩装饰传输流
游戏开发：
- 装备系统增强角色属性
- 技能BUFF叠加效果

6.2 相关模式对比

模式	核心区别
适配器模式	改变对象接口
代理模式	控制访问，不添加功能
组合模式	统一处理对象集合
策略模式	整体替换算法

七、最佳实践指南

7.1 适用场景判断

✅ 推荐使用：

需要动态添加/撤销功能
使用继承会导致类爆炸
不同功能的排列组合场景

❌ 避免使用：

需要直接访问具体组件方法
装饰顺序影响业务逻辑
性能敏感的底层系统

7.2 实现原则

优先组合：使用对象组合而非继承
保持轻量：装饰器不应包含复杂逻辑
接口隔离：定义明确的组件接口
文档规范：明确装饰器的叠加规则

八、总结

装饰者模式通过灵活的对象组合代替僵化的类继承，为系统扩展提供了优雅的解决方案。在C++实现中：

使用unique_ptr管理组件生命周期
通过抽象类保证接口一致性
利用现代C++特性简化实现

当面对需要动态扩展功能的场景时，装饰者模式就像编程世界的"俄罗斯套娃"，让每个装饰器层层包裹核心组件，最终组合出强大的功能集合。