C++设计模式——Command命令模式

C++设计模式——Command命令模式

命令模式是一种常用的设计模式，它将一个请求的处理或者一个具体操作封装为一个对象，从而可以让开发者根据不同的请求参数来生成不同的执行函数。本文将详细介绍命令模式的定义、结构、应用场景以及优缺点，并通过多个代码示例帮助读者更好地理解这一设计模式。

一、命令模式的定义

命令模式是一种行为型设计模式。在实际开发场景中，命令模式将一个请求的处理或者一个具体操作封装为一个对象，从而可以让开发者根据不同的请求参数来生成不同的执行函数。

命令模式的本质是对具体命令的拆解和封装，实现命令发送者和命令接收者的解耦。命令模式使得具体的命令可以被存储和传递，由命令接收者来指定这个命令何时被执行、撤销等。命令模式中的发送者只需要关注命令的发送即可，不需要关注具体命令的执行流程。

命令模式在现实生活中的抽象实例：

• 遥控器：通过在遥控器上按下不同的按钮来执行不同的操作，遥控器使得发送者(用户)与接收者(比如电视、空调等)解耦。
• 餐厅点餐：在点餐过程中，将顾客的点餐请求封装成命令对象并发送给厨师，厨师作为命令接收者根据不同的命令进行菜肴的烹饪。
• 编辑器的撤销功能：编辑器将用户的操作命令全部保存在一个命令堆栈中，让用户可以随时撤销执行的命令，从而实现了对操作的灵活控制。
• 订单系统：用户下单时，订单系统会将用户的选购操作封装成一条命令(即生成订单)并发送给库存管理系统来处理，将用户与仓库发货解耦。

二、命令模式的结构

命令模式主要包含以下组件：

1. 抽象命令接口(Command)：

• 定义了命令的执行方法，内部包含一个execute()函数，用于定义命令的请求过程。

2. 具体命令(ConcreteCommand)：

• 是抽象命令接口的具体实现，包含具体命令的执行细节，同时内部可能还包含指向接收者的指针，与接收者相互关联。

3. 请求者(Invoker)：

• 也叫触发者，负责维护命令列表(addCommand)，并调用命令对象的execute()接口。请求者不需要知道具体命令的实际操作，只关注如何将命令发送给命令对象。

4. 接收者(Receiver)：

• 接收者内部包含了去执行命令的实际操作的对象。接收者只关注命令的实际操作细节，并被具体命令对象(ConcreteCommand)所调用。

5. 客户端(Client)：

• 负责创建具体命令并将命令发送给请求者对象。

组件之间的工作步骤如下：

1. 客户端创建具体命令对象，并指定与命令对象关联的接收者。
2. 将具体命令对象传递给请求者对象。
3. 请求者对象接收到具体命令对象后，将其存储到命令列表中。
4. 请求者对象执行具体命令对象的execute()方法。
5. 具体命令对象将命令传递给接收者对象。
6. 接收者对象执行实际操作。

三、命令模式代码样例

Demo1：不包含Receiver

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

class Command {
public:
    virtual void execute() = 0;
};

class ConcreteCommand : public Command {
private:
    std::string receiver_;
public:
    ConcreteCommand(const std::string& receiver) {
        receiver_ = receiver;
    }
    void execute() override {
        std::cout << "ConcreteCommand: " << receiver_ << "\n";
    }
};

class Invoker {
private:
    std::vector<Command*> commands_;
public:
    void addCommand(Command* command) {
        commands_.push_back(command);
    }
    void executeCommands() {
        for (auto command : commands_) {
            command->execute();
        }
        commands_.clear();
    }
};

int main() {
    Invoker invoker;
    Command* command1 = new ConcreteCommand("command 01 -> ");
    Command* command2 = new ConcreteCommand("command 02 -> ");
    invoker.addCommand(command1);
    invoker.addCommand(command2);
    invoker.executeCommands();
    delete command1;
    delete command2;
    return 0;
}

运行结果：

ConcreteCommand: command 01 ->
ConcreteCommand: command 02 ->

Demo2：包含Receiver

#include <iostream>
#include <vector>

class Command {
public:
    virtual void execute() = 0;
};

class Receiver {
public:
    Receiver(std::string cmd_str)
    {
        cmd = cmd_str;
    }
    void action() {
        std::cout << "Operating " << cmd << std::endl;
    }
private:
    std::string cmd;
};

class ConcreteCommand : public Command {
private:
    Receiver* receiver;
public:
    ConcreteCommand(Receiver* receiver){
       this->receiver = receiver;
    }
    void execute() override {
        receiver->action();
    }
};

class Invoker {
private:
    std::vector<Command*> commands;
public:
    void addCommand(Command* command) {
        commands.push_back(command);
    }
    void executeCommands() {
        for (auto command : commands) {
            command->execute();
        }
        commands.clear();
    }
};

int main() {
    Receiver* receiver1 = new Receiver("action_01");
    Receiver* receiver2 = new Receiver("action_02");
    Command* command1 = new ConcreteCommand(receiver1);
    Command* command2 = new ConcreteCommand(receiver2);
    Invoker invoker;
    invoker.addCommand(command1);
    invoker.addCommand(command2);
    invoker.executeCommands();
    delete command1;
    delete command2;
    delete receiver1;
    delete receiver2;
    return 0;
}

运行结果：

Operating action_01
Operating action_02

四、命令模式的应用场景

• 撤销或重做功能实现：在编辑器或应用程序中，用户可以执行“撤销”或“重做”操作，这些操作可以被组织成命令链，方便管理。
• 事件驱动软件开发：将不同事件封装为命令对象，当某一事件发生时执行相应的命令处理逻辑。
• 远程通信软件开发：将通信过程封装成发送者和接收者解耦的结构，隐藏通信的具体细节。

五、命令模式的优缺点

命令模式的优点：

• 命令模式将发送者和接收者解耦，使得两者可以分别独立变化。
• 扩展性好，新的命令可以很容易地添加和维护，不影响现有系统。
• 使用对象来存储命令，很适用于开发回滚和撤销操作。
• 可以使用队列将命令进行缓存，实现延迟执行或者异步处理。

命令模式的缺点：

• 增加了一些额外的抽象层次，使代码结构变得复杂。
• 命令的具体操作包含了对象的动态创建和销毁，性能开销大。
• 对象之间存在着多层次的依赖，维护变得困难，不易于bug定位和调试。

六、代码实战

基于命令模式实现的模拟远程灯光控制

#include <iostream>
using namespace std;

class Command
{
public:
       virtual void execute() = 0;
};

//Receiver
class Light
{
public:
       void on() {
              cout << "The light is on\n";
       }
       void off() {
              cout << "The light is off\n";
       }
};

class LightOnCmd: public Command
{
public:
       LightOnCmd(Light* light){
              mLight = light;
       }
       void execute() {
              mLight->on();
       }
private:
       Light* mLight;
};

class LightOffCmd: public Command
{
public:
       LightOffCmd(Light* light){
              mLight = light;
       }
       void execute() {
              mLight->off();
       }
private:
       Light* mLight;
};

//Invoker 
class RemoteControl
{
public:
       void setCommand(Command* cmd) {
              mCmd = cmd;
       }
       void buttonPressed() {
              mCmd->execute();
       }
private:
       Command* mCmd;
};

int main()
{
       Light* light = new Light;
       LightOnCmd* lightOn = new LightOnCmd(light);
       LightOffCmd* lightOff = new LightOffCmd(light);
       RemoteControl* control = new RemoteControl;
       control->setCommand(lightOn);
       control->buttonPressed();
       control->setCommand(lightOff);
       control->buttonPressed();
       delete light;
       delete lightOn;
       delete lightOff;
       delete control;
       return 0;
}

运行结果：

The light is on
The light is off

七、参考阅读

• Command Pattern
• Command Pattern in C++
• Command Pattern
• Understanding and Implementing the Command Pattern