挑战：为不可修改的现有对象添加新属性
在软件开发中，我们经常会遇到需要为现有对象添加额外属性或行为的场景，但又受到多种限制。例如，当我们面对一个图的顶点接口实现时，可能需要为每个顶点存储一个额外的属性（如其在位置列表中的索引），同时必须满足以下严格条件：
- 不修改原始代码： 现有顶点的实现是给定的，不允许对其进行任何更改。
- O(1) 最差情况检索： 新添加的属性必须能够在最差情况下以O(1)的时间复杂度进行检索。
- 私有嵌套类限制： 原始顶点实现可能是一个私有嵌套类，这使得直接通过继承进行扩展变得困难或不可能。
传统的解决方案，如使用 HashMap（在C++中通常是 std::unordered_map），虽然平均时间复杂度为O(1)，但其最差情况时间复杂度为O(n)，因此不符合严格的O(1)最差情况要求。直接尝试通过继承来扩展顶点类，又会受限于私有嵌套类的访问权限。
面对这些挑战，我们需要一种既能规避原始代码修改，又能满足性能和访问限制的策略。
解决方案一：使用组合模式（推荐）
组合模式是一种强大的设计模式，它允许我们将一个类的实例作为另一个类的成员。通过这种方式，我们可以创建一个新的“包装”类，它内部包含原始对象，并在此基础上添加新的属性。这种方法完美地解决了不允许修改原始代码和私有嵌套类的限制。
核心思想： 创建一个新的类 MyVertex，它将包含一个 GivenVertex 类型的成员变量，以及我们想要添加的新属性（例如 position）。
优点：
- 不修改原始代码： GivenVertex 的实现保持不变。
- 绕过私有嵌套类限制： MyVertex 不需要知道 GivenVertex 的内部结构或继承关系，只需要能够创建或接收 GivenVertex 的实例。
- O(1) 检索： 新属性 position 和原始属性 V.getClr() 都可以直接通过 MyVertex 实例在O(1)时间内访问。
- 解耦： MyVertex 与 GivenVertex 之间的关系是“has-a”而不是“is-a”，提供了更好的灵活性。
示例代码：
#include// 替换 以提高可读性 #include // 用于断言 // 假设这是我们不能修改的原始顶点类 class GivenVertex { private: int color = 3; // 原始属性 // ... 可能还有其他私有成员 public: GivenVertex() {} int getClr() { return color; } // ... 可能还有其他公共方法 }; // 我们的新类，使用组合模式来扩展功能 class MyVertex { public: int position; // 新添加的属性 GivenVertex V; // 包含原始GivenVertex的实例 // 构造函数，接收一个GivenVertex实例和新属性的值 MyVertex(GivenVertex originalVertex, int newPosition) { this->V = originalVertex; this->position = newPosition; } // 可以添加其他方法来封装对V的操作，例如： int getOriginalColor() { return V.getClr(); } }; int main() { // 创建一个原始的GivenVertex实例 GivenVertex originalGV = GivenVertex(); // 使用组合模式创建我们的MyVertex int pos = 7; MyVertex myExtendedVertex = MyVertex(originalGV, pos); // 验证新属性和原始属性是否正确 assert(myExtendedVertex.V.getClr() == 3); // 访问原始属性 assert(pos == myExtendedVertex.position); // 访问新属性 std::cout << "Original Color: " << myExtendedVertex.V.getClr() << ", New Position: " << myExtendedVertex.position << std::endl; return 0; }
在上述代码中，MyVertex 通过持有 GivenVertex 的一个实例 V，成功地将 GivenVertex 的功能和我们需要的 position 属性结合起来。当我们创建一个 MyVertex 对象时，它会包含一个 GivenVertex 对象，并且我们可以通过 myExtendedVertex.V 访问 GivenVertex 的原始功能，通过 myExtendedVertex.position 访问新添加的属性。
解决方案二：使用继承模式（条件受限）
继承是面向对象编程中扩展功能的一种常见方式。如果原始类不是私有嵌套类，并且允许被继承，那么创建一个子类并在其中添加新属性也是一个可行的方案。
核心思想： 创建一个新类 MyVertex，它继承自 GivenVertex，并在 MyVertex 中添加新的属性 position。
局限性：
- 私有嵌套类限制： 原始问题明确指出 GivenVertex 是一个私有嵌套类，这通常意味着它无法在外部直接被继承。如果 GivenVertex 是一个公开的、非最终（non-final）的类，此方法才适用。
- 访问权限： 如果 GivenVertex 的构造函数或关键方法是私有的，子类可能无法正确初始化或访问父类的功能。
- “is-a”关系： 继承意味着子类“is-a”（是）父类。在某些情况下，组合模式的“has-a”（拥有）关系可能更符合实际的设计意图。
示例代码（假设 GivenVertex 可被继承）：
#include#include // 假设这是可被继承的原始顶点类 class GivenVertex { private: int color = 3; public: GivenVertex() {} int getGivenClr() { // 更改方法名以避免与MyVertex中的getClr混淆 return color; } }; // 使用继承模式创建我们的MyVertex class MyVertex : private GivenVertex { // 这里使用私有继承 public: int position; MyVertex(int newPosition) { this->position = newPosition; } // 提供一个公共方法来访问父类的功能 int getMyClr() { return getGivenClr(); // 通过父类方法访问原始属性 } }; int main() { int pos = 7; MyVertex myExtendedVertex = MyVertex(pos); // 验证新属性和原始属性 assert(myExtendedVertex.getMyClr() == 3); // 访问原始属性 assert(pos == myExtendedVertex.position); // 访问新属性 std::cout << "Original Color (via MyVertex): " << myExtendedVertex.getMyClr() << ", New Position: " << myExtendedVertex.position << std::endl; return 0; }
在这个继承示例中，MyVertex 私有继承自 GivenVertex。私有继承意味着 GivenVertex 的公共和保护成员在 MyVertex 中变为私有。因此，为了从外部访问 GivenVertex 的功能（如 getGivenClr()），MyVertex 必须提供一个公共的“转发”方法（如 getMyClr()）。
重要提示： 考虑到原始问题中“私有嵌套类”的限制，继承方案在大多数情况下是不可行的。组合模式是更通用且更符合原始约束的解决方案。
注意事项与选择指南
在选择扩展现有对象的方式时，请考虑以下因素：
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原始类的可访问性和可修改性：
- 如果原始类是私有嵌套类或不允许修改，组合模式是首选。
- 如果原始类设计为可继承且可访问，继承模式可以考虑。
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性能要求（O(1) 最差情况）：
- 组合模式和继承模式都能满足O(1)的最差情况检索，因为新属性直接作为类的成员。
- HashMap 或 std::unordered_map 虽然平均O(1)，但最差情况O(n)不符合严格的O(1)最差要求。仅当对最差情况性能要求不那么严格时，才可作为外部存储方案。
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关系建模：“is-a” vs. “has-a”：
- 继承（is-a）： 如果新类是原始类的一个特殊类型，并且共享其核心行为，则继承是合适的。例如，“圆形是形状”。
- 组合（has-a）： 如果新类只是包含原始类的一个实例，并为其添加额外功能，而两者之间没有严格的“is-a”关系，则组合更合适。例如，“汽车有一个引擎”。在我们的顶点示例中，一个“带位置的顶点”可以被看作是“拥有一个原始顶点和位置”的对象。
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代码复杂性与维护：
- 组合模式通常更简单直观，尤其是在不涉及复杂行为扩展时。
- 继承模式在多层继承或需要重写父类行为时可能导致更复杂的层次结构。
总结
当需要在不修改原始代码、满足O(1)最差情况检索，且原始对象为私有嵌套类等严格限制下为对象添加新属性时，组合模式（通过创建新类来包装原始对象并添加新属性）是最推荐且最稳健的解决方案。它能够有效规避私有嵌套类的限制，并保证属性检索的性能。
尽管继承模式在面向对象编程中是扩展功能的基础，但其适用性受到原始类可访问性和可继承性的严格限制。在面临不可修改或私有嵌套类时，应优先考虑组合模式，以实现灵活、高效且符合约束的扩展。
