C设计模式第二十二篇访问者模式Visitor
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【C++设计模式】第二十二篇：访问者模式（Visitor）
注意：复现代码时，确保 VS2022 使用 C++17/20 标准以支持现代特性。
数据结构与操作的解耦之道
1. 模式定义与用途
核心思想
访问者模式 ：将 数据结构的操作 与 数据结构本身 分离，通过访问者对象实现操作逻辑，支持在不修改类的前提下添加新功能。
关键用途 ：
1. 动态扩展功能 ：新增操作无需修改原有类（如导出、序列化、统计）。
2. 解耦数据结构与操作 ：将分散的操作集中到访问者类中。
3. 支持复杂对象结构 ：适用于树形、图形等嵌套结构的统一处理。
经典场景
- 抽象语法树（AST）遍历（类型检查、代码生成）。
- 文档导出（HTML、PDF、纯文本）。
- UI组件渲染（不同平台绘制逻辑）。
2. 模式结构解析
UML类图
+---------------------+ +---------------------+
| Element | | Visitor |
+---------------------+ +---------------------+
| + accept(v: Visitor)|<|--------| + visit(e: ElementA)|
+---------------------+ | + visit(e: ElementB)|
^ +---------------------+
| ^
+-------+-------+ +---------+---------+
| | | |
+---------------------+ +----------------+ +----------------+
| ElementA | | ConcreteVisitor | | Client |
+---------------------+ +----------------+ +----------------+
| + accept(v: Visitor)| | + visit() | | 调用访问者处理元素 |
+---------------------+ +----------------+ +----------------+ 角色说明
Element：元素接口，定义accept方法接收访问者。ConcreteElement：具体元素类（如ElementA、ElementB），实现accept方法。Visitor：访问者接口，为每个元素类声明visit方法。ConcreteVisitor：具体访问者，实现各元素的处理逻辑。Client：创建访问者并触发元素对访问者的接受。
3. 现代C++实现示例
场景：文档导出系统
步骤1：定义元素与访问者接口
#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>
// 前向声明
class TextElement;
class ImageElement;
// 访问者接口
class DocumentVisitor {
public:
virtual ~DocumentVisitor() = default;
virtual void visit(const TextElement& text) = 0;
virtual void visit(const ImageElement& image) = 0;
};
// 元素接口
class DocumentElement {
public:
virtual ~DocumentElement() = default;
virtual void accept(DocumentVisitor& visitor) const = 0;
};
步骤2：实现具体元素类
// 文本元素
class TextElement : public DocumentElement {
public:
TextElement(const std::string& content) : content_(content) {}
void accept(DocumentVisitor& visitor) const override {
visitor.visit(*this);
}
const std::string& getContent() const { return content_; }
private:
std::string content_;
};
// 图片元素
class ImageElement : public DocumentElement {
public:
ImageElement(const std::string& path) : path_(path) {}
void accept(DocumentVisitor& visitor) const override {
visitor.visit(*this);
}
const std::string& getPath() const { return path_; }
private:
std::string path_;
};
步骤3：实现具体访问者（导出逻辑）
// HTML导出访问者
class HtmlExporter : public DocumentVisitor {
public:
void visit(const TextElement& text) override {
html_ += "<p>" + text.getContent() + "</p>\n";
}
void visit(const ImageElement& image) override {
html_ += "<img src=\"" + image.getPath() + "\" />\n";
}
std::string getHtml() const { return html_; }
private:
std::string html_;
};
// 纯文本导出访问者
class TextExporter : public DocumentVisitor {
public:
void visit(const TextElement& text) override {
text_ += text.getContent() + "\n";
}
void visit(const ImageElement& image) override {
text_ += "[图片: " + image.getPath() + "]\n";
}
std::string getText() const { return text_; }
private:
std::string text_;
};
步骤4：客户端代码
int main() {
// 创建文档元素
std::vector<std::unique_ptr<DocumentElement>> doc;
doc.push_back(std::make_unique<TextElement>("欢迎访问！"));
doc.push_back(std::make_unique<ImageElement>("photo.jpg"));
// 导出为HTML
HtmlExporter htmlExporter;
for (const auto& elem : doc) {
elem->accept(htmlExporter);
}
std::cout << "HTML导出结果:\n" << htmlExporter.getHtml() << "\n";
// 导出为纯文本
TextExporter textExporter;
for (const auto& elem : doc) {
elem->accept(textExporter);
}
std::cout << "文本导出结果:\n" << textExporter.getText() << "\n";
}
/* 输出：
HTML导出结果:
<p>欢迎访问！</p>
<img src="photo.jpg" />
文本导出结果:
欢迎访问！
[图片: photo.jpg]
*/
4. 应用场景示例
场景1：编译器符号表检查
class VariableNode;
class FunctionNode;
class SymbolTableVisitor {
public:
virtual void visit(const VariableNode& var) = 0;
virtual void visit(const FunctionNode& func) = 0;
};
class VariableNode {
public:
void accept(SymbolTableVisitor& visitor) { visitor.visit(*this); }
};
class TypeChecker : public SymbolTableVisitor {
void visit(const VariableNode& var) override { /* 类型检查逻辑 */ }
void visit(const FunctionNode& func) override { /* 类型检查逻辑 */ }
};
场景2：3D模型渲染器
class Mesh;
class Light;
class RenderVisitor {
public:
virtual void render(const Mesh& mesh) = 0;
virtual void render(const Light& light) = 0;
};
class OpenGLRenderer : public RenderVisitor {
void render(const Mesh& mesh) override { /* OpenGL绘制网格 */ }
void render(const Light& light) override { /* OpenGL处理光照 */ }
};
5. 优缺点分析
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 新增操作无需修改元素类 | 新增元素类型需修改所有访问者接口 |
| 集中相关操作，提升内聚性 | 破坏封装性，访问者可能访问私有成员 |
| 支持复杂结构遍历（如树形结构） | 增加系统复杂度，需维护访问者与元素关系 |
6. 调试与优化策略
调试技巧（VS2022）
1. 验证访问者分发逻辑：
- 在
accept()方法内设置断点，确认元素正确调用访问者的visit方法。
2. 类型安全检查：
- 使用
dynamic_cast检查访问者是否处理了所有元素类型：
void accept(DocumentVisitor& visitor) const {
if (auto* v = dynamic_cast<HtmlExporter*>(&visitor)) {
v->visit(*this);
} else {
throw std::runtime_error("不支持的访问者类型！");
}
}
性能优化
1. 访问者缓存：
- 对频繁使用的访问者（如渲染器）进行实例复用，避免重复创建。
2. 并行访问：
- 对独立元素使用多线程处理（需确保访问者线程安全）：
#include <execution>
std::for_each(std::execution::par, doc.begin(), doc.end(),
[&](auto& elem) { elem->accept(visitor); });