C++ 设计模式——外观模式

外观模式（Facade Pattern）是一种结构性设计模式，它为复杂的子系统提供一个简单的接口。通过外观模式，客户端通过外观类与子系统进行交互，外观类将客户端的请求委托给适当的子系统对象，从而实现功能的调用。这样的设计隐藏了子系统的复杂性，使得客户端与子系统之间的耦合度降低。

引入“外观”设计模式的定义(实现意图)：提供了一个统一的接口，用来访问子系统中的一群接口。外观定义了一个高层接口，让子系统更容易使用。

主要组成部分

1. 外观类（Facade）

• 核心角色：外观类是外观模式的核心，提供一个统一的接口，简化客户端与子系统之间的交互。
• 封装子系统：它封装了多个子系统类，对外提供高层次的接口，使得客户端无需直接与子系统交互。
• 协调功能：外观类负责协调子系统对象的调用顺序，确保它们能够协同工作。

2. 子系统类（Subsystem）

• 具体实现：子系统类实现系统的具体功能，通常由多个子系统类组成。
• 独立性：每个子系统类独立于外观类，它们不需要了解外观类的存在。
• 相互通信：子系统类之间可以相互通信，也可以被外观类调用。

3. 客户端（Client）

• 简化交互：客户端使用外观类提供的接口与系统交互。
• 隐藏细节：客户端不需要了解子系统的具体实现细节，只需与外观类进行交互。

例一：工作流程示例

以《魔兽世界》这款流行的网络游戏为例，其配置选项丰富多样，包括图形、声音和语音聊天等多个方面。每个方面都有详细的配置项。

1. 外观类（Facade）

conffacade 类是外观类，它提供了 LowConfComputer 和 HighConfComputer 两个方法，分别用于配置低配置和高配置的电脑。它内部调用了多个子系统的实例，简化了客户端的调用。

//扮演外观模式角色的类
class conffacade
{//--------------单件类实现相关begin----------------
private:conffacade() {};conffacade(const conffacade& tmpobj);conffacade& operator = (const conffacade& tmpobj);~conffacade() {};
public:static conffacade& getInstance(){static conffacade instance;return instance;}//--------------单件类实现相关end----------------
public:void LowConfComputer() //对于低配置电脑，只开启一些低配置选项{graphic& g_gp = graphic::getInstance();g_gp.display(true); //全屏耗费资源更低g_gp.effect(false);g_gp.resolution(2);g_gp.antialiasing(false);sound& g_snd = sound::getInstance();g_snd.bgsound(false);g_snd.envirsound(false);g_snd.expsound(false);g_snd.setvolume(15);chatvoice& g_cv = chatvoice::getInstance();g_cv.micvolume(20);g_cv.micsens(50);g_cv.chatvolume(60);}void HighConfComputer() //对于高配置电脑，能达到最好效果的项全部开启{graphic& g_gp = graphic::getInstance();g_gp.display(false);g_gp.effect(true);g_gp.resolution(0);g_gp.antialiasing(true);sound& g_snd = sound::getInstance();g_snd.bgsound(true);g_snd.envirsound(true);g_snd.expsound(true);g_snd.setvolume(50);chatvoice& g_cv = chatvoice::getInstance();g_cv.micvolume(100);g_cv.micsens(100);g_cv.chatvolume(100);}
};

2. 子系统类（Subsystem）

每个子系统类（graphic、sound、chatvoice）负责自己的特定功能。它们提供了具体的方法供外观类调用，执行实际的业务逻辑。

//图形相关类
class graphic
{//--------------单件类实现相关begin----------------
private:graphic() {};graphic(const graphic& tmpobj);graphic& operator = (const graphic& tmpobj);~graphic() {};
public:static graphic& getInstance(){static graphic instance;return instance;}//--------------单件类实现相关end----------------
public:void display(bool enable) //是否全屏显示(true：是){cout << "图形->是否全屏显示->" << enable << endl;//其他代码略......}void effect(bool enable)//是否开启特效(true：是){cout << "图形->是否开启特效->" << enable << endl;}void resolution(int index) //设置窗口分辨率{cout << "图形->分辨率设置选项->" << index << endl;}void antialiasing(bool enable)//是否开启抗锯齿(true：是){cout << "图形->是否开启抗锯齿->" << enable << endl;}//其他接口略......
};//声音相关类
class sound
{//--------------单件类实现相关begin----------------
private:sound() {};sound(const sound& tmpobj);sound& operator = (const sound& tmpobj);~sound() {};
public:static sound& getInstance(){static sound instance;return instance;}//--------------单件类实现相关end----------------
public:void bgsound(bool enable) //是否开启背景声音(true：是){cout << "声音->是否开启背景声音->" << enable << endl;}void envirsound(bool enable)//是否开启环境音效(true：是){cout << "声音->是否开启环境音效->" << enable << endl;}void expsound(bool enable) //是否开启表情声音(true：是){cout << "声音->是否开启表情声音->" << enable << endl;}void setvolume(int level) //音量大小设置(0-100){cout << "声音->音量大小为->" << level << endl;}//其他接口略......
};//语音聊天相关类
class chatvoice
{//--------------单件类实现相关begin----------------
private:chatvoice() {};chatvoice(const chatvoice& tmpobj);chatvoice& operator = (const chatvoice& tmpobj);~chatvoice() {};
public:static chatvoice& getInstance(){static chatvoice instance;return instance;}//--------------单件类实现相关end----------------
public:void micvolume(int level) //麦克风音量大小设置(0-100){cout << "语音聊天->麦克风音量大小为->" << level << endl;}void micsens(int level)//麦克灵敏度设置(0-100){cout << "语音聊天->麦克风灵敏度为->" << level << endl;}void chatvolume(int level) //聊天音量设置(0-100){cout << "语音聊天->聊天音量为->" << level << endl;}//其他接口略......
};

3. 客户端（Client）

在 main 函数中，客户端通过调用外观类的 LowConfComputer 和 HighConfComputer 方法来配置电脑，而不需要了解各个子系统的内部实现。这种方式显著降低了复杂性。

int main() 
{conffacade& g_cffde = conffacade::getInstance();cout << "低配置电脑，调用LowConfComputer接口" << endl;g_cffde.LowConfComputer();cout << "------------------" << endl;cout << "高配置电脑，调用HighConfComputer接口" << endl;g_cffde.HighConfComputer();return 0;
}

UML 图

UML 图解析

1. 外观类与子系统类的依赖

• 外观类（conffacade）依赖于子系统类：
  • conffacade 类内部需要调用 graphic、sound 和 chatvoice 这三个子系统类的方法，以实现不同配置电脑的功能。
  • 例如，在 LowConfComputer 和 HighConfComputer 方法中，外观类通过调用 graphic::getInstance()、sound::getInstance() 和 chatvoice::getInstance() 来获取各个子系统的实例，然后调用它们的方法。

2. 子系统类之间的独立性

• 子系统类之间的独立性：
  • 每个子系统类（如 graphic、sound 和 chatvoice）是独立的，客户端和外观类并不直接依赖于它们的具体实现。
  • 这使得在未来需要修改或扩展某个子系统时，不会影响到客户端或外观类的其他部分。

3. 客户端与外观类的依赖

• 客户端（main 函数）只依赖于外观类：
  • 客户端通过外观类 conffacade 的实例来调用 LowConfComputer 和 HighConfComputer 方法，而不需要直接与 graphic、sound 和 chatvoice 等子系统类交互。
  • 这种设计减少了客户端与子系统之间的耦合，使得系统更易于维护和扩展。

例二：工作流程示例

在家庭影院系统中，多个设备（如屏幕、灯光、音箱、DVD播放器和游戏机）需要协同工作以提供良好的观影和游戏体验。使用外观模式，创建一个 HomeTheaterFacade 类。

1. 设备类

每个设备类都有 On 和 Off 方法，用于打开和关闭设备。简化这些设备的操作

//屏幕
class Screen
{
public:void On(){cout << "屏幕打开了!" << endl;}void Off(){cout << "屏幕关闭了!" << endl;}
};//灯光
class Light
{
public:void On(){cout << "灯光打开了!" << endl;}void Off(){cout << "灯光关闭了!" << endl;}
};//音箱
class Speaker
{
public:void On(){cout << "音箱打开了!" << endl;}void Off(){cout << "音箱关闭了!" << endl;}
};//DVD播放器
class DvdPlayer
{
public:void On(){cout << "DVD播放器打开了!" << endl;}void Off(){cout << "DVD播放器关闭了!" << endl;}
};//游戏机
class PlayerStation
{
public:void On(){cout << "游戏机打开了!" << endl;}void Off(){cout << "游戏机关闭了!" << endl;}
};

2. 外观类（HomeTheaterFacade）

HomeTheaterFacade 类提供了两个主要方法：WatchMovie 和 PlayGame。这两个方法分别用于观看电影和玩游戏，内部调用相关设备的开关方法。

//家庭影院外观模式类
class HomeTheaterFacade
{
public:void WatchMovie() //看电影{//屏幕打开，灯光熄灭，音箱打开，DVD播放器打开，游戏机关闭。scnobj.On();lgobj.Off();spkobj.On();dpobj.On();psobj.Off();}void PlayGame() //玩游戏{//屏幕打开，灯光打开，音箱打开，DVD播放器关闭，游戏机打开。scnobj.On();lgobj.On();spkobj.On();dpobj.Off();psobj.On();}
private:Screen scnobj;Light lgobj;Speaker spkobj;DvdPlayer dpobj;PlayerStation psobj;
};

3. 客户端（main 函数）

在 main 函数中，客户端通过 HomeTheaterFacade 实例来调用 WatchMovie 和 PlayGame 方法，简化了多个设备的操作。

int main()
{HomeTheaterFacade htfacobj;cout << "开始看电影---------------" << endl;htfacobj.WatchMovie();cout << "开始玩游戏---------------" << endl;htfacobj.PlayGame();return 0;
}

UML 图

UML 图解析

1. 外观类与子系统类的依赖

• HomeTheaterFacade 类：
  • 该类依赖于多个子系统类（Screen、Light、Speaker、DvdPlayer、PlayerStation）。它通过这些子系统类的实例来控制家庭影院的各个设备。
  • 在 WatchMovie 和 PlayGame 方法中，HomeTheaterFacade 调用这些子系统的 On 和 Off 方法来实现设备的开关操作。

2. 子系统类之间的独立性

• 子系统类（Screen、Light、Speaker、DvdPlayer、PlayerStation）：
  • 每个子系统类独立实现自己的功能，不依赖于其他子系统类。这种设计确保了每个设备的封装性和独立性，使得在未来的扩展中可以单独修改某个设备的实现，而不影响其他设备或外观类。

3. 客户端与外观类的关系

• 客户端（main 函数）：
  • 客户端通过 HomeTheaterFacade 的实例 htfacobj 调用 WatchMovie 和 PlayGame 方法。客户端只依赖于外观类，而不需要直接与子系统类交互。
  • 这种依赖关系使得客户端的代码更为简洁，隐藏了系统的复杂性。

优缺点

优点：

• 简化接口：外观模式提供了一个统一的接口，使得子系统更加容易使用。
• 降低耦合度：客户端与子系统之间的直接依赖关系减少，客户端只需与外观类交互。
• 提高灵活性：当子系统发生变更时，只需要调整外观类的实现，而不需要修改客户端代码。
• 易于维护：由于客户端与子系统解耦，系统的维护和扩展变得更加容易。

缺点：

• 违反开闭原则：如果增加新的子系统或者修改现有子系统的行为，可能需要修改外观类，这违反了开闭原则。
• 可能导致设计过重：如果不恰当地使用外观模式，可能会导致系统出现大量细粒度的外观类，增加系统的复杂性。
• 性能问题：在某些情况下，如果外观类需要处理多个子系统的交互，可能会引入额外的性能开销。

适用场景

• 子系统复杂：当子系统非常复杂，客户端直接与子系统交互会非常困难时，可以使用外观模式。
• 简化客户端调用：当需要提供一个简单的接口来隐藏系统的复杂性，让客户端不需要了解系统的内部细节时。
• 构建层次结构：在构建多层结构的系统时，可以使用外观模式定义每一层的入口点，从而简化层与层之间的调用。
• 解耦系统：当需要减少客户端与多个子系统之间的依赖关系，以降低系统耦合度时。
• 逐步引入变化：当需要逐步引入新的子系统到现有系统中，而又不想影响现有客户端代码时，可以使用外观模式作为中间层逐步引入变化。

例一：完整代码

#include <iostream>
using namespace std;//图形相关类
class graphic
{//--------------单件类实现相关begin----------------
private:graphic() {};graphic(const graphic& tmpobj);graphic& operator = (const graphic& tmpobj);~graphic() {};
public:static graphic& getInstance(){static graphic instance;return instance;}//--------------单件类实现相关end----------------
public:void display(bool enable) //是否全屏显示(true：是){cout << "图形->是否全屏显示->" << enable << endl;//其他代码略......}void effect(bool enable)//是否开启特效(true：是){cout << "图形->是否开启特效->" << enable << endl;}void resolution(int index) //设置窗口分辨率{cout << "图形->分辨率设置选项->" << index << endl;}void antialiasing(bool enable)//是否开启抗锯齿(true：是){cout << "图形->是否开启抗锯齿->" << enable << endl;}//其他接口略......
};//声音相关类
class sound
{//--------------单件类实现相关begin----------------
private:sound() {};sound(const sound& tmpobj);sound& operator = (const sound& tmpobj);~sound() {};
public:static sound& getInstance(){static sound instance;return instance;}//--------------单件类实现相关end----------------
public:void bgsound(bool enable) //是否开启背景声音(true：是){cout << "声音->是否开启背景声音->" << enable << endl;}void envirsound(bool enable)//是否开启环境音效(true：是){cout << "声音->是否开启环境音效->" << enable << endl;}void expsound(bool enable) //是否开启表情声音(true：是){cout << "声音->是否开启表情声音->" << enable << endl;}void setvolume(int level) //音量大小设置(0-100){cout << "声音->音量大小为->" << level << endl;}//其他接口略......
};//语音聊天相关类
class chatvoice
{//--------------单件类实现相关begin----------------
private:chatvoice() {};chatvoice(const chatvoice& tmpobj);chatvoice& operator = (const chatvoice& tmpobj);~chatvoice() {};
public:static chatvoice& getInstance(){static chatvoice instance;return instance;}//--------------单件类实现相关end----------------
public:void micvolume(int level) //麦克风音量大小设置(0-100){cout << "语音聊天->麦克风音量大小为->" << level << endl;}void micsens(int level)//麦克灵敏度设置(0-100){cout << "语音聊天->麦克风灵敏度为->" << level << endl;}void chatvolume(int level) //聊天音量设置(0-100){cout << "语音聊天->聊天音量为->" << level << endl;}//其他接口略......
};//---------------------------------------------------
//扮演外观模式角色的类
class conffacade
{//--------------单件类实现相关begin----------------
private:conffacade() {};conffacade(const conffacade& tmpobj);conffacade& operator = (const conffacade& tmpobj);~conffacade() {};
public:static conffacade& getInstance(){static conffacade instance;return instance;}//--------------单件类实现相关end----------------
public:void LowConfComputer() //对于低配置电脑，只开启一些低配置选项{graphic& g_gp = graphic::getInstance();g_gp.display(true); //全屏耗费资源更低g_gp.effect(false);g_gp.resolution(2);g_gp.antialiasing(false);sound& g_snd = sound::getInstance();g_snd.bgsound(false);g_snd.envirsound(false);g_snd.expsound(false);g_snd.setvolume(15);chatvoice& g_cv = chatvoice::getInstance();g_cv.micvolume(20);g_cv.micsens(50);g_cv.chatvolume(60);}void HighConfComputer() //对于高配置电脑，能达到最好效果的项全部开启{graphic& g_gp = graphic::getInstance();g_gp.display(false);g_gp.effect(true);g_gp.resolution(0);g_gp.antialiasing(true);sound& g_snd = sound::getInstance();g_snd.bgsound(true);g_snd.envirsound(true);g_snd.expsound(true);g_snd.setvolume(50);chatvoice& g_cv = chatvoice::getInstance();g_cv.micvolume(100);g_cv.micsens(100);g_cv.chatvolume(100);}
};int main()
{    conffacade& g_cffde = conffacade::getInstance();cout << "低配置电脑，调用LowConfComputer接口" << endl;g_cffde.LowConfComputer();cout << "------------------" << endl;cout << "高配置电脑，调用HighConfComputer接口" << endl;g_cffde.HighConfComputer();           return 0;
}

例二：完整代码

//屏幕
class Screen
{
public:void On(){cout << "屏幕打开了!" << endl;}void Off(){cout << "屏幕关闭了!" << endl;}
};//灯光
class Light
{
public:void On(){cout << "灯光打开了!" << endl;}void Off(){cout << "灯光关闭了!" << endl;}
};//音箱
class Speaker
{
public:void On(){cout << "音箱打开了!" << endl;}void Off(){cout << "音箱关闭了!" << endl;}
};//DVD播放器
class DvdPlayer
{
public:void On(){cout << "DVD播放器打开了!" << endl;}void Off(){cout << "DVD播放器关闭了!" << endl;}
};//游戏机
class PlayerStation
{
public:void On(){cout << "游戏机打开了!" << endl;}void Off(){cout << "游戏机关闭了!" << endl;}
};//家庭影院外观模式类
class HomeTheaterFacade
{
public:void WatchMovie() //看电影{//屏幕打开，灯光熄灭，音箱打开，DVD播放器打开，游戏机关闭。scnobj.On();lgobj.Off();spkobj.On();dpobj.On();psobj.Off();}void PlayGame() //玩游戏{//屏幕打开，灯光打开，音箱打开，DVD播放器关闭，游戏机打开。scnobj.On();lgobj.On();spkobj.On();dpobj.Off();psobj.On();}
private:Screen scnobj;Light lgobj;Speaker spkobj;DvdPlayer dpobj;PlayerStation psobj;
};int main()
{HomeTheaterFacade htfacobj;cout << "开始看电影---------------" << endl;htfacobj.WatchMovie();cout << "开始玩游戏---------------" << endl;htfacobj.PlayGame();return 0;
}