C++访问者模式操作不同对象类型实现-C++-PHP中文网

访问者模式通过双重分派将操作与对象结构解耦，支持在不修改元素类的前提下添加新操作，适用于对象结构稳定但操作多变的场景。

c++访问者模式操作不同对象类型实现

C++的访问者模式，在我看来，它主要提供了一种非常巧妙的方式来处理一个核心问题：当我们需要对一个由多种不同类型对象组成的结构执行各种操作时，如何才能在不频繁修改这些对象类本身的前提下，灵活地添加新的操作？简单来说，它将操作（算法）与对象结构（数据）解耦，使得对不同类型对象的特定行为处理变得更加集中和可扩展。这对于那些类型层次结构稳定，但操作却可能不断变化的场景，简直是量身定制。

解决方案

要深入理解C++访问者模式如何操作不同对象类型，我们得从它的核心机制——“双重分派”（Double Dispatch）说起。传统的虚函数是“单重分派”，即根据调用对象的运行时类型来决定执行哪个方法。而访问者模式，则通过引入一个“访问者”对象，实现了根据被访问对象和访问者对象两者的运行时类型来确定执行哪个操作。

想象一下，你有一堆形状（圆形、方形、三角形），你想对它们进行“绘制”或“导出为JSON”或“计算面积”等操作。如果每加一个操作，你都要去修改所有形状类，那简直是噩梦。访问者模式的思路是：

定义一个抽象的“元素”接口（Element）：所有可被访问的对象（比如你的形状们）都实现这个接口。这个接口里只有一个核心方法：
```
accept(Visitor& visitor)
```
登录后复制
。这个方法的作用是“接受”一个访问者，并调用访问者对应类型的方法。
定义一个抽象的“访问者”接口（Visitor）：这个接口声明了一系列重载的
```
visit()
```
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方法，每个方法对应一种具体的元素类型。例如，
```
visit(Circle&)
```
登录后复制
、
```
visit(Square&)
```
登录后复制
等等。
实现具体的“元素”类（Concrete Element）：比如
```
Circle
```
登录后复制
、
```
Square
```
登录后复制
。它们各自实现
```
accept()
```
登录后复制
方法。在
```
accept()
```
登录后复制
方法内部，它们会调用传入的访问者对象的对应
```
visit()
```
登录后复制
方法，并把自己作为参数传进去。
实现具体的“访问者”类（Concrete Visitor）：比如
```
DrawVisitor
```
登录后复制
、
```
JsonExportVisitor
```
登录后复制
。它们各自实现
```
Visitor
```
登录后复制
接口中的所有
```
visit()
```
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方法，针对不同元素类型执行具体的逻辑。

这里面的精髓在于，当

element->accept(visitor)

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被调用时：

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第一次分派：通过
```
element
```
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的虚函数机制，确定了
```
element
```
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的运行时类型（比如是
```
Circle
```
登录后复制
）。
第二次分派：在
```
Circle::accept
```
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内部，调用
```
visitor.visit(*this)
```
登录后复制
。此时，
```
this
```
登录后复制
的类型是
```
Circle
```
登录后复制
，而
```
Visitor
```
登录后复制
的运行时类型（比如是
```
DrawVisitor
```
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）已经确定。C++的重载解析机制会根据
```
*this
```
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的静态类型（在
```
Circle::accept
```
登录后复制
中是
```
Circle
```
登录后复制
）和
```
Visitor
```
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的运行时类型，找到
```
DrawVisitor::visit(Circle&)
```
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方法。

通过这种方式，我们可以在不触碰

Circle

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、

Square

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等形状类的前提下，添加像

CalculateAreaVisitor

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这样的新操作，只需要实现一个新的访问者类即可。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <memory> // For std::unique_ptr

// 前向声明访问者，避免循环引用
class Circle;
class Square;

// 抽象访问者接口
class Visitor {
public:
    virtual void visit(Circle& circle) = 0;
    virtual void visit(Square& square) = 0;
    virtual ~Visitor() = default;
};

// 抽象元素接口
class Shape {
public:
    virtual void accept(Visitor& visitor) = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

// 具体元素：圆形
class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double getRadius() const { return radius; }

    void accept(Visitor& visitor) override {
        // 第一次分派：Shape::accept -> Circle::accept
        // 第二次分派：visitor.visit(this) -> 具体Visitor的visit(Circle&)
        visitor.visit(*this);
    }
};

// 具体元素：方形
class Square : public Shape {
private:
    double side;
public:
    Square(double s) : side(s) {}
    double getSide() const { return side; }

    void accept(Visitor& visitor) override {
        visitor.visit(*this);
    }
};

// 具体访问者：绘制操作
class DrawVisitor : public Visitor {
public:
    void visit(Circle& circle) override {
        std::cout << "Drawing a Circle with radius: " << circle.getRadius() << std::endl;
    }
    void visit(Square& square) override {
        std::cout << "Drawing a Square with side: " << square.getSide() << std::endl;
    }
};

// 具体访问者：导出为JSON字符串
class JsonExportVisitor : public Visitor {
private:
    std::string jsonOutput;
public:
    void visit(Circle& circle) override {
        jsonOutput += "{ \"type\": \"circle\", \"radius\": " + std::to_string(circle.getRadius()) + " }";
    }
    void visit(Square& square) override {
        jsonOutput += "{ \"type\": \"square\", \"side\": " + std::to_string(square.getSide()) + " }";
    }
    std::string getJson() const {
        return "[" + jsonOutput + "]";
    }
};

// 示例用法
// int main() {
//     std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes;
//     shapes.push_back(std::make_unique<Circle>(10.0));
//     shapes.push_back(std::make_unique<Square>(5.0));
//     shapes.push_back(std::make_unique<Circle>(7.5));

//     DrawVisitor drawVisitor;
//     std::cout << "--- Drawing Shapes ---" << std::endl;
//     for (const auto& shape : shapes) {
//         shape->accept(drawVisitor);
//     }

//     JsonExportVisitor jsonVisitor;
//     std::cout << "\n--- Exporting Shapes to JSON ---" << std::endl;
//     for (const auto& shape : shapes) {
//         shape->accept(jsonVisitor);
//     }
//     std::cout << jsonVisitor.getJson() << std::endl;

//     return 0;
// }

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（为了遵循输出格式，代码示例不放在

main

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函数中，仅作为展示）。

C++访问者模式解决了哪些常见的设计难题？

在我看来，访问者模式最显著的贡献在于它优雅地处理了几个棘手的设计问题，尤其是在面对复杂对象结构时。

首先，它完美地实践了开闭原则（Open/Closed Principle）。这意味着你可以扩展系统的行为，而无需修改现有的代码。当我们需要对现有的对象结构（比如上面例子中的

Circle

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和

Square

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）添加新的操作时，我们不需要去触碰

Circle

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或

Square

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的源代码。我们只需要创建一个新的具体访问者（例如，一个

AreaCalculationVisitor

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），并实现它对各种形状的访问逻辑即可。这在大型项目中尤其重要，因为它减少了修改现有、稳定代码带来的风险，避免了回归测试的巨大开销。

其次，它避免了大量的条件判断语句（

if-else if

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或
switch
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语句）。如果没有访问者模式，我们可能需要在客户端代码中，或者在某个基类的方法中，通过类型检查（如

dynamic_cast

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或RTTI）来判断对象的具体类型，然后执行相应的操作。这会导致代码变得臃肿、难以维护，并且每增加一种对象类型或一种操作，都需要修改这些条件判断链。访问者模式通过双重分派机制，将这些类型判断和操作分发逻辑巧妙地隐藏在了

accept

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和

visit

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方法的调用中，让客户端代码看起来非常简洁。

再者，访问者模式将相关的操作集中在一起。所有与“绘制”相关的逻辑都集中在

DrawVisitor

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中，所有与“JSON导出”相关的逻辑都集中在

JsonExportVisitor

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中。这提高了代码的内聚性，使得理解和维护特定操作变得更容易。如果你想知道所有形状是如何被绘制的，你只需要查看

DrawVisitor

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这一个类。

最后，它在一定程度上解决了所谓的“表达式问题（Expression Problem）”。这是一个计算机科学中的经典难题，指的是如何在不修改现有类型集合或操作集合的前提下，添加新的类型或新的操作。访问者模式在这里提供了一个方向：它使得添加新的操作变得非常容易，但添加新的元素类型则相对困难一些。这实际上是一种权衡，适用于那些对象结构相对稳定，但操作经常变化的场景。

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在C++中实现访问者模式时，有哪些需要注意的陷阱或最佳实践？

即便访问者模式如此强大，但在C++中实际应用时，我个人觉得还是有一些坑需要注意，以及一些实践经验可以分享。

一个最明显的“坑”就是当你的对象结构（即

element

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的子类）经常变化时，访问者模式会变得非常痛苦。如果你添加一个新的

Shape

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类型（比如

Triangle

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），你就必须去修改所有现有的

Visitor

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接口和它的所有具体实现类，为

Triangle

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添加

visit(Triangle&)

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方法。这违反了开闭原则，因为你修改了现有代码来添加新功能。所以，访问者模式最适合那些对象结构稳定、操作种类多变且需要经常添加新操作的场景。如果你的对象类型经常变动，你可能需要考虑其他设计模式，比如命令模式或者策略模式。

其次，模式的实现可能略显冗长和复杂。你需要定义抽象元素、具体元素、抽象访问者和具体访问者，以及它们之间的

accept

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和

visit

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方法，这些都增加了代码量。对于非常简单的操作，这种模式可能显得有些“杀鸡用牛刀”，引入了不必要的复杂性。在我看来，如果操作逻辑很简单，或者只有一两种操作，直接在基类中添加虚函数可能更直接。

循环依赖问题也值得一提。

Visitor

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接口需要知道所有具体

element

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的类型才能声明对应的

visit

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方法，而

element

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接口的

accept

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方法又需要

Visitor

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接口。这通常通过前向声明来解决，就像我在示例代码中做的那样。但如果设计不当，可能会导致编译上的麻烦。

关于最佳实践：

使用
const
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正确性：如果访问者只是读取元素的状态而不修改它，那么
```
visit
```
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方法应该接受
```
const Element&
```
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。这能确保数据的完整性，并允许访问者处理
```
const
```
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元素。
利用智能指针：在管理
```
element
```
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对象集合时，使用
```
std::unique_ptr
```
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或
```
std::shared_ptr
```
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可以有效地处理内存管理，避免手动释放内存的麻烦，尤其是在复杂对象图中。
考虑双向访问：有时，访问者在执行操作时，可能需要获取被访问元素的一些额外信息，或者甚至需要访问元素内部的其他元素。这可以通过在
```
visit
```
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方法中将被访问元素作为参数传入来解决，允许访问者直接操作元素。
限制访问者权限：访问者模式的缺点之一是，访问者可以访问被访问元素的公共接口。如果元素内部有一些不希望被外部直接操作的状态，需要通过接口设计来限制访问者的能力，或者让访问者只通过元素提供的公共方法来间接操作。
考虑模板元编程（TMP）的替代方案：对于一些非常特定的场景，C++的模板元编程或C++20的
```
std::visit
```
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（用于
```
std::variant
```
登录后复制
）也能实现类似的多态操作，有时会更简洁，但通常只适用于编译期已知类型集合的场景。

总的来说，访问者模式是一把双刃剑，用得好能大幅提升代码的灵活性和可维护性，用不好则可能徒增复杂性。关键在于理解其适用场景和权衡利弊。

C++访问者模式与其他多态机制（如虚函数）有何区别和联系？

C++中的访问者模式和传统的虚函数多态，都是实现多态行为的机制，但它们在处理问题的侧重点和实现原理上有着本质的区别，理解这些差异对于选择合适的工具至关重要。

核心区别在于“分派”的维度：

虚函数（Virtual Functions）实现的是“单重分派”（Single Dispatch）：当通过基类指针或引用调用虚函数时，被调用的方法版本仅由调用对象的运行时类型决定。例如，
```
shape_ptr->draw()
```
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会根据
```
shape_ptr
```
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实际指向的是
```
Circle
```
登录后复制
还是
```
Square
```
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来调用
```
Circle::draw()
```
登录后复制
或
```
Square::draw()
```
登录后复制
。这里的“分派”只发生在对象类型这一个维度上。如果你想根据不同的“画笔”来画，你就得在
```
draw()
```
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方法里再加一层判断，或者传递一个“画笔”对象进去，但
```
draw()
```
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方法本身还是由
```
shape_ptr
```
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的类型决定。
访问者模式实现的是“双重分派”（Double Dispatch）：如前所述，访问者模式的
```
element->accept(visitor)
```
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机制，使得最终执行的操作版本由被访问元素的运行时类型和访问者对象的运行时类型共同决定。第一次分派发生在
```
element->accept(visitor)
```
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，确定了
```
element
```
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的具体类型；第二次分派发生在
```
accept
```
登录后复制
方法内部调用
```
visitor.visit(*this)
```
登录后复制
，此时
```
Visitor
```
登录后复制
的运行时类型和
```
*this
```
登录后复制
（即
```
element
```
登录后复制
）的运行时类型共同决定了
```
visit
```
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方法的重载版本。这种机制使得操作可以根据两个独立的类型维度来动态选择。

联系与适用场景：

它们并非互斥，而是互补的。实际上，访问者模式的实现本身就依赖于虚函数（

accept

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方法是虚函数，

visit

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方法在抽象访问者中也是虚函数）。

何时倾向于虚函数？ 当操作（行为）是对象固有的一部分，并且操作的种类相对稳定，但对象的类型可能经常变化时，虚函数是更直接、更简洁的选择。例如，
```
Shape
```
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有一个
```
draw()
```
登录后复制
方法，每个具体形状都知道如何绘制自己。添加新的形状很容易，只需实现
```
draw()
```
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方法即可。
何时倾向于访问者模式？ 当对象结构（类型）相对稳定，但你需要对这些对象执行的操作种类繁多，并且可能经常添加新的操作时，访问者模式就显得非常强大。它将操作从对象本身剥离出来，避免了在每个对象类中添加大量与自身数据无关的操作方法，从而保持了对象类的内聚性。例如，你可能需要对形状进行绘制、导出JSON、计算面积、序列化、反序列化等多种操作，并且这些操作可能由不同的模块或团队负责。

在我看来，选择哪种机制，核心在于你希望哪个维度是“开放”的（易于扩展），哪个维度是“封闭”的（不易变动）。虚函数使得添加新类型变得容易，而访问者模式使得添加新操作变得容易。它们都是C++面向对象设计中处理多态性的重要工具，理解它们的差异能帮助我们构建更灵活、更健壮的系统。

以上就是C++访问者模式操作不同对象类型实现的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！