C++单例模式、工厂模式、观察者模式等的实现和应用场景。

设计模式是软件开发中常用的解决方案，它们提供了一些经过验证的方法来解决常见的设计问题。以下是单例模式、工厂模式和观察者模式在C++中的实现和应用场景的详细讲解。

1. 单例模式（Singleton Pattern）

概念

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个实例。这对于管理全局状态、配置对象、日志记录对象等非常有用。

实现

在C++中实现单例模式通常涉及以下步骤：

私有化构造函数、复制构造函数和赋值操作符，防止外部创建对象。

提供一个静态方法来获取类的唯一实例。

#include <iostream>
#include <mutex>

class Singleton {
public:
    // 获取单例实例的静态方法
    static Singleton& getInstance() {
        static Singleton instance; // 使用静态局部变量确保唯一实例
        return instance;
    }

    // 示例方法
    void showMessage() {
        std::cout << "Hello from Singleton!" << std::endl;
    }

    // 删除复制构造函数和赋值操作符，防止复制
    Singleton(const Singleton&) = delete;
    Singleton& operator=(const Singleton&) = delete;

private:
    // 私有构造函数，防止外部实例化
    Singleton() {
        std::cout << "Singleton Constructor Called" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Singleton& instance1 = Singleton::getInstance();
    Singleton& instance2 = Singleton::getInstance();

    instance1.showMessage();

    if (&instance1 == &instance2) {
        std::cout << "Both instances are the same." << std::endl;
    }

    return 0;
}

应用场景

配置管理: 全局共享的配置管理器。
日志系统: 统一的日志记录类，用于在整个应用程序中收集日志。
资源管理: 控制对全局共享资源的唯一访问点，比如数据库连接池。

2. 工厂模式（Factory Pattern）

概念

工厂模式通过定义一个创建对象的接口，让子类决定实例化哪个类。工厂模式使一个类的实例化过程延迟到子类。

工厂模式包括以下几种常见变体：

简单工厂模式（Simple Factory Pattern）: 提供一个方法来创建对象。
工厂方法模式（Factory Method Pattern）: 定义一个接口来创建对象，由子类来决定实例化哪个具体的类。
抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）: 提供一个接口来创建一系列相关或依赖的对象，而不需要指定它们的具体类。

实现

下面是一个简单工厂模式的示例，用于创建不同类型的产品对象：

#include <iostream>
#include <memory>

// 产品基类
class Product {
public:
    virtual void show() = 0;
    virtual ~Product() = default;
};

// 具体产品类 A
class ConcreteProductA : public Product {
public:
    void show() override {
        std::cout << "ConcreteProductA created." << std::endl;
    }
};

// 具体产品类 B
class ConcreteProductB : public Product {
public:
    void show() override {
        std::cout << "ConcreteProductB created." << std::endl;
    }
};

// 简单工厂类
class SimpleFactory {
public:
    enum ProductType { PRODUCT_A, PRODUCT_B };

    static std::unique_ptr<Product> createProduct(ProductType type) {
        switch (type) {
            case PRODUCT_A:
                return std::make_unique<ConcreteProductA>();
            case PRODUCT_B:
                return std::make_unique<ConcreteProductB>();
            default:
                return nullptr;
        }
    }
};

int main() {
    auto productA = SimpleFactory::createProduct(SimpleFactory::PRODUCT_A);
    auto productB = SimpleFactory::createProduct(SimpleFactory::PRODUCT_B);

    productA->show();
    productB->show();

    return 0;
}

应用场景

对象创建逻辑复杂: 当对象创建的逻辑非常复杂且可能涉及多个步骤时，工厂模式可以隐藏这些细节。
解耦: 工厂模式可以将客户端与具体的类解耦，使得更容易扩展和维护。
动态实例化: 根据运行时条件动态决定创建哪个类的实例。

3. 观察者模式（Observer Pattern）

概念

观察者模式定义了一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生变化时，所有依赖于它的对象都会自动收到通知并更新。它用于实现对象间的解耦通信。

实现

在C++中，实现观察者模式通常涉及以下组件：

主体（Subject）: 被观察的对象，它维护一个观察者列表，并在状态改变时通知它们。

观察者（Observer）: 接受通知并作出相应反应的对象。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>

// 观察者接口
class Observer {
public:
    virtual void update(int state) = 0;
    virtual ~Observer() = default;
};

// 具体观察者
class ConcreteObserver : public Observer {
public:
    void update(int state) override {
        std::cout << "Observer updated with state: " << state << std::endl;
    }
};

// 主体（被观察者）
class Subject {
public:
    void addObserver(std::shared_ptr<Observer> observer) {
        observers.push_back(observer);
    }

    void setState(int newState) {
        state = newState;
        notifyObservers();
    }

private:
    void notifyObservers() {
        for (const auto& observer : observers) {
            observer->update(state);
        }
    }

    std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers;
    int state;
};

int main() {
    std::shared_ptr<Observer> observer1 = std::make_shared<ConcreteObserver>();
    std::shared_ptr<Observer> observer2 = std::make_shared<ConcreteObserver>();

    Subject subject;
    subject.addObserver(observer1);
    subject.addObserver(observer2);

    subject.setState(10);
    subject.setState(20);

    return 0;
}

应用场景

事件处理系统: 当事件发生时，通知所有感兴趣的对象（例如 GUI 框架中的事件处理）。
订阅发布系统: 允许多个对象订阅一个主题，当主题有更新时，所有订阅者都会收到通知。
模型-视图-控制器（MVC）架构: 在MVC中，视图对象可以观察模型对象，当模型数据改变时，视图会自动更新。这些模式都是非常实用的工具，可以帮助开发者编写更灵活、可扩展和可维护的代码。