浅谈 C++17 里的 Visitor 模式
作者:hedzr
一、Visitor Pattern
访问者模式是一种行为模式,允许任意的分离的访问者能够在管理者控制下访问所管理的元素。访问者不能改变对象的定义(但这并不是强制性的,你可以约定为允许改变)。对管理者而言,它不关心究竟有多少访问者,它只关心一个确定的元素访问顺序(例如对于二叉树来说,你可以提供中序、前序等多种访问顺序)。
1、组成
Visitor
模式包含两个主要的对象:Visitable
对象和 Vistor
对象。此外,作为将被操作的对象,在 Visitor 模式中也包含 Visited 对象。
一个 Visitable
对象,即管理者,可能包含一系列形态各异的元素(Visited
),它们可能在 Visitable
中具有复杂的结构关系(但也可以是某种单纯的容纳关系,如一个简单的 vector)。Visitable 一般会是一个复杂的容器,负责解释这些关系,并以一种标准的逻辑遍历这些元素。当 Visitable
对这些元素进行遍历时,它会将每个元素提供给 Visitor 令其能够访问该 Visited 元素。
这样一种编程模式就是 Visitor Pattern
。
2、接口
为了能够观察每个元素,因此实际上必然会有一个约束:所有的可被观察的元素具有共同的基类 Visited。
所有的 Visitors
必须派生于 Visitor 才能提供给 Visitable.accept(visitor&)
接口。
namespace hicc::util { struct base_visitor { virtual ~base_visitor() {} }; struct base_visitable { virtual ~base_visitable() {} }; template<typename Visited, typename ReturnType = void> class visitor : public base_visitor { public: using return_t = ReturnType; using visited_t = std::unique_ptr<Visited>; virtual return_t visit(visited_t const &visited) = 0; }; template<typename Visited, typename ReturnType = void> class visitable : public base_visitable { public: virtual ~visitable() {} using return_t = ReturnType; using visitor_t = visitor<Visited, return_t>; virtual return_t accept(visitor_t &guest) = 0; }; } // namespace hicc::util
3、场景
以一个实例来说,假设我们正在设计一套矢量图编辑器,在画布(Canvas
)中,可以有很多图层(Layer
),每一图层包含一定的属性(例如填充色,透明度),并且可以有多种图元(Element
)。图元可以是 Point
,Line
,Rect
,Arc
等等。
为了能够将画布绘制在屏幕上,我们可以有一个 Screen
设备对象,它实现了 Visitor
接口,因此画布可以接受 Screen
的访问,从而将画布中的图元绘制到屏幕上。
如果我们提供 Printer
作为观察者 ,那么画布将能够把图元打印出来。
如果我们提供 Document
作为观察者,那么画布将能够把图元特性序列化到一个磁盘文件中去。
如果今后需要其它的行为,我们可以继续增加新的观察者,然后对画布及其所拥有的图元进行类似的操作。
4、特点
- 如果你需要对一个复杂对象结构 (例如对象树) 中的所有元素执行某些操作, 可使用访问者模式。
- 访问者模式将非主要的功能从对象管理者身上抽离,所以它也是一种解耦手段。
- 如果你正在制作一个对象库的类库,那么向外提供一个访问接口,将会有利于用户无侵入地开发自己的 visitor 来访问你的类库——他不必为了自己的一点点事情就给你
issue/pull request
。 - 对于结构层级复杂的情况,要善于使用对象嵌套与递归能力,避免反复编写相似逻辑。
请查阅
canva
,layer
,group
的参考实现,它们通过实现drawable
和vistiable
<drawable
> 的方式完成了嵌套性的自我管理能力,并使得 accept() 能够递归地进入每一个容器中。
5、实现
我们以矢量图编辑器的一部分为示例进行实现,采用了前面给出的基础类模板。
drawable 和 基础图元
首先做 drawable/shape
的基本声明以及基础图元:
namespace hicc::dp::visitor::basic { using draw_id = std::size_t; /** @brief a shape such as a dot, a line, a rectangle, and so on. */ struct drawable { virtual ~drawable() {} friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, drawable const *o) { return os << '<' << o->type_name() << '#' << o->id() << '>'; } virtual std::string type_name() const = 0; draw_id id() const { return _id; } void id(draw_id id_) { _id = id_; } private: draw_id _id; }; #define MAKE_DRAWABLE(T) \ T(draw_id id_) { id(id_); } \ T() {} \ virtual ~T() {} \ std::string type_name() const override { \ return std::string{hicc::debug::type_name<T>()}; \ } \ friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, T const &o) { \ return os << '<' << o.type_name() << '#' << o.id() << '>'; \ } //@formatter:off struct point : public drawable {MAKE_DRAWABLE(point)}; struct line : public drawable {MAKE_DRAWABLE(line)}; struct rect : public drawable {MAKE_DRAWABLE(rect)}; struct ellipse : public drawable {MAKE_DRAWABLE(ellipse)}; struct arc : public drawable {MAKE_DRAWABLE(arc)}; struct triangle : public drawable {MAKE_DRAWABLE(triangle)}; struct star : public drawable {MAKE_DRAWABLE(star)}; struct polygon : public drawable {MAKE_DRAWABLE(polygon)}; struct text : public drawable {MAKE_DRAWABLE(text)}; //@formatter:on // note: dot, rect (line, rect, ellipse, arc, text), poly (triangle, star, polygon) }
为了调试目的,我们重载了 '<<' 流输出运算符,而且利用宏 MAKE_DRAWABLE
来削减重复性代码的键击输入。在 MAKE_DRAWABLE
宏中,我们通过 hicc::debug::type_name<T>()
来获得类名,并将此作为字符串从 drawable::type_name()
返回。
出于简化的理由基础图元没有进行层次化,而是平行地派生于 drawable
。
复合性图元和图层
下面声明 group
对象,这种对象包含一组图元。由于我们想要尽可能多的递归结构,所以图层也被认为是一种一组图元的组合形式:
namespace hicc::dp::visitor::basic { struct group : public drawable , public hicc::util::visitable<drawable> { MAKE_DRAWABLE(group) using drawable_t = std::unique_ptr<drawable>; using drawables_t = std::unordered_map<draw_id, drawable_t>; drawables_t drawables; void add(drawable_t &&t) { drawables.emplace(t->id(), std::move(t)); } return_t accept(visitor_t &guest) override { for (auto const &[did, dr] : drawables) { guest.visit(dr); UNUSED(did); } } }; struct layer : public group { MAKE_DRAWABLE(layer) // more: attrs, ... }; }
在 group class
中已经实现了 visitable
接口,它的 accept
能够接受访问者的访问,此时 图元组 group
会遍历自己的所有图元并提供给访问者。
我们还可以基于 group class
创建 compound
图元类型,它允许将若干图元组合成一个新的图元元件,两者的区别在于,group
一般是 UI 操作中的临时性对象,而 compound
图元能够作为元件库中的一员供用户挑选和使用。
默认时 guest 会访问 visited const &
形式的图元,也就是只读方式。
图层至少具有 group
的全部能力,所以面对访问者它的做法是相同的。图层的属性部分(mask
,overlay
等等)被略过了。
画布 Canvas
画布包含了若干图层,所以它同样应该实现 visitable 接口:
namespace hicc::dp::visitor::basic { struct canvas : public hicc::util::visitable<drawable> { using layer_t = std::unique_ptr<layer>; using layers_t = std::unordered_map<draw_id, layer_t>; layers_t layers; void add(draw_id id) { layers.emplace(id, std::make_unique<layer>(id)); } layer_t &get(draw_id id) { return layers[id]; } layer_t &operator[](draw_id id) { return layers[id]; } virtual return_t accept(visitor_t &guest) override { // hicc_debug("[canva] visiting for: %s", to_string(guest).c_str()); for (auto const &[lid, ly] : layers) { ly->accept(guest); } return; } }; }
其中,add 将会以默认参数创建一个新图层,图层顺序遵循向上叠加方式。get 和 [] 运算符能够通过正整数下标访问某一个图层。但是代码中没有包含图层顺序的管理功能,如果有意,你可以添加一个 std::vector<draw_id>
的辅助结构来帮助管理图层顺序。
现在我们来回顾画布-图层-图元体系,accept
接口成功地贯穿了整个体系。
是时候建立访问者们了
screen 或 printer
这两者实现了简单的访问者接口:
namespace hicc::dp::visitor::basic { struct screen : public hicc::util::visitor<drawable> { return_t visit(visited_t const &visited) override { hicc_debug("[screen][draw] for: %s", to_string(visited.get()).c_str()); } friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, screen const &) { return os << "[screen] "; } }; struct printer : public hicc::util::visitor<drawable> { return_t visit(visited_t const &visited) override { hicc_debug("[printer][draw] for: %s", to_string(visited.get()).c_str()); } friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, printer const &) { return os << "[printer] "; } }; }
hicc::to_string
是一个简易的串流包装,它做如下的核心逻辑:
template<typename T> inline std::string to_string(T const &t) { std::stringstream ss; ss << t; return ss.str(); }
test case
测试程序构造了微型的画布以及几个图元,然后示意性地访问它们:
void test_visitor_basic() { using namespace hicc::dp::visitor::basic; canvas c; static draw_id id = 0, did = 0; c.add(++id); // added one graph-layer c[1]->add(std::make_unique<line>(++did)); c[1]->add(std::make_unique<line>(++did)); c[1]->add(std::make_unique<rect>(++did)); screen scr; c.accept(scr); }
输出结果应该类似于这样:
--- BEGIN OF test_visitor_basic ---------------------- 09/14/21 00:33:31 [debug]: [screen][draw] for: <hicc::dp::visitor::basic::rect#3> 09/14/21 00:33:31 [debug]: [screen][draw] for: <hicc::dp::visitor::basic::line#2> 09/14/21 00:33:31 [debug]: [screen][draw] for: <hicc::dp::visitor::basic::line#1 --- END OF test_visitor_basic ---------------------- It took 2.813.753ms
二、Epilogue
Visitor
模式有时候能够被迭代器模式所代替。但是迭代器常常会有一个致命缺陷而影响了其实用性:迭代器本身可能是僵化的、高代价的、效率低下的——除非你做出了最恰当的设计时选择并实现了最精巧的迭代器。 它们两者都允许用户无侵入地访问一个已知的复杂容器的内容。
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