「C++ 篇」答应我,别再if/else走天下了可以吗

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每日一句英语学习,每天进步一点点:
  • “Without purpose, the days would have ended, as such days always end, in disintegration.”
  • 「少了目标,一天还是会结束,它总是以支离破碎的形式结束。」

前言

羊哥之前写一篇有趣的文章《答应我,别再if/else走天下了可以吗 | CodeSheep 》,在文中使用 Java 语言实现了枚举类、工厂模式和策略模式的三种方式,来消除连环的 if / else。内容层层递进,由浅入深的方式我非常喜欢。

看到有留言中有小伙伴想看 C++ 版本的,特此写下了此文(已经过羊哥的同意)。不过由于 C++ 没有枚举类,所以本文不涉及此方式,但本文会带大家一步一步的优化工厂模式和策略模式。

正文

糟糕 if / else 连环

if / else 可以说是我们学习编程时,第一个学习的分支语句,简单易理解,生活中也处处有的 if / else 例子:

老婆给当程序员的老公打电话:“下班顺路买一斤包子带回来,如果看到卖西瓜的,买一个。”
当晚,程序员老公手捧一个包子进了家门。。。
老婆怒道:“你怎么就买了一个包子?!”
老公答曰:“因为看到了卖西瓜的。”

老婆的思维:

买一斤包子;
if( 看到卖西瓜的 )
  买一只( 西瓜 );

而程序员老公的程序:

if( ! 看见卖西瓜的 ) 
   买一斤包子;
else
   买一只( 包子 );

非常生生动动的生活例子!如果身为程序员的你,犯了同样的思维错误,别继续问你媳妇为什么,问就是跪键盘:

进入本文正题。考虑以下栗子:一般来说我们正常的后台管理系统都有所谓的角色的概念,不同管理员权限不一样,能够行使的操作也不一样。

  • 系统管理员( ROLE_ROOT_ADMIN ):有 A 操作权限
  • 订单管理员( ROLE_ORDER_ADMIN ):有 B 操作权限
  • 普通用户( ROLE_NORMAL ):有 C 操作权限

假设一个用户进来,我们需要根据不同用户的角色来判断其有哪些行为。使用过多 if / else 连环写法的我们,肯定下意识就觉得,这不简单嘛,我上演一套连环的写法:

class JudgeRole
{
public:
    std::string Judge( std::string roleName )
    {
        std::string result = "";
        if( roleName == "ROLE_ROOT_ADMIN" )       // 系统管理员
        {
            result = roleName + "has A permission";
        }
        else if( roleName == "ROLE_ORDER_ADMIN" ) // 订单管理员
        {
            result = roleName + "has B permission";
        }
        else if( roleName == "ROLE_NORMAL" )       // 普通用户
        {
            result = roleName + "has C permission";
        }
        return result;
    }
};

当系统里有几十个角色,那岂不是几十个 if / else 嵌套,这个视觉效果绝对酸爽……这种实现方式非常的不优雅。

别人看了这种代码肯定大声喊:“我X,哪个水货写的!”

这时你听到,千万不要说:“那我改成 switch / case”。千万别说,千万别说哦,否则可能拎包回家了…

因为 switch / caseif / else 毛区别都没,都是写费劲、难阅读、不易扩展的代码。

接下来简单讲几种改进方式,别再 if / else 走天下了。


工厂模式 —— 它不香吗?

不同的角色做不同的事情,很明显就提供了使用工厂模式的契机,我们只需要将不同情况单独定义好,并聚合到工厂里面即可。

首先,定义一个公用接口 RoleOperation,类里有一个纯虚函数 Op,供派生类(子类)具体实现:

// 基类
class RoleOperation
{
public:
    virtual std::string Op() = 0; // 纯虚函数
    virtual ~RoleOperation() {} // 虚析构函数
};

接下来针对不同的角色类,继承基类,并实现 Op 函数:

// 系统管理员(有 A 操作权限)
class RootAdminRole : public RoleOperation {
public:
    RootAdminRole(const std::string &roleName)
            : m_RoleName(roleName) {}

    std::string Op() {
        return m_RoleName + " has A permission";
    }

private:
    std::string m_RoleName;
};


// 订单管理员(有 B 操作权限)
class OrderAdminRole : public RoleOperation {
public:
    OrderAdminRole(const std::string &roleName)
            : m_RoleName(roleName) {}

    std::string Op() {
        return m_RoleName + " has B permission";
    }

private:
    std::string m_RoleName;
};

// 普通用户(有 C 操作权限)
class NormalRole : public RoleOperation {
public:
    NormalRole(const std::string &roleName)
            : m_RoleName(roleName) {}

    std::string Op() {
        return m_RoleName + " has C permission";
    }

private:
    std::string m_RoleName;
};

接下来在写一个工厂类 RoleFactory,提供两个接口:

  • 用以注册角色指针对象到工厂的 RegisterRole 成员函数
  • 用以获取对应角色指针对象的 GetRole 成员函数
// 角色工厂
class RoleFactory {
public:
    // 获取工厂单例,工厂的实例是唯一的
    static RoleFactory& Instance() {
        static RoleFactory instance; // C++11 以上线程安全
        return instance;
    }

    // 把指针对象注册到工厂
    void RegisterRole(const std::string& name, RoleOperation* registrar) {
        m_RoleRegistry[name] = registrar;
    }

    // 根据名字name,获取对应的角色指针对象
    RoleOperation* GetRole(const std::string& name) {

        std::map<std::string, RoleOperation*>::iterator it;

        // 从map找到已经注册过的角色,并返回角色指针对象
        it = m_RoleRegistry.find(name);
        if (it != m_RoleRegistry.end()) {
            return it->second;
        }

        return nullptr; // 未注册该角色,则返回空指针
    }

private:
    // 禁止外部构造和虚构
    RoleFactory() {}
    ~RoleFactory() {}

    // 禁止外部拷贝和赋值操作
    RoleFactory(const RoleFactory &);
    const RoleFactory &operator=(const RoleFactory &);

    // 保存注册过的角色,key:角色名称 , value:角色指针对象
    std::map<std::string, RoleOperation *> m_RoleRegistry;
};

把所有的角色注册(聚合)到工厂里,并封装成角色初始化函数InitializeRole

void InitializeRole() // 初始化角色到工厂
{
    static bool bInitialized = false;

    if (bInitialized == false) {
        // 注册系统管理员
        RoleFactory::Instance().RegisterRole("ROLE_ROOT_ADMIN", new RootAdminRole("ROLE_ROOT_ADMIN"));
        // 注册订单管理员
        RoleFactory::Instance().RegisterRole("ROLE_ORDER_ADMIN", new OrderAdminRole("ROLE_ORDER_ADMIN"));
        // 注册普通用户
        RoleFactory::Instance().RegisterRole("ROLE_NORMAL", new NormalRole("ROLE_NORMAL"));
        bInitialized = true;
    }
}

接下来借助上面这个工厂,业务代码调用只需要一行代码,if / else 被消除的明明白白:

class JudgeRole {
public:
    std::string Judge(const std::string &roleName) {
        return RoleFactory::Instance().GetRole(roleName)->Op();
    }
};

需要注意:在使用 Judge 时,要先调用初始化所有角色 InitializeRole 函数(可以放在 main 函数开头等):

int main() {
    InitializeRole(); // 优先初始化所有角色到工厂

    JudgeRole judgeRole;

    std::cout << judgeRole.Judge("ROLE_ROOT_ADMIN") << std::endl;
    std::cout << judgeRole.Judge("ROLE_ORDER_ADMIN") << std::endl;
    std::cout << judgeRole.Judge("ROLE_NORMAL") << std::endl;
}

通过工厂模式实现的方式,想扩展条件也很容易,只需要增加新代码,而不需要改动以前的业务代码,非常符合「开闭原则」

不知道小伙伴发现了没有,上面实现工厂类,虽然看来去井然有序,但是当使用不当时会招致程序奔溃,那么是什么情况会发生呢?

我们先来分析上面的工厂类对外的两个接口:

  • RegisterRole 注册角色指针对象到工厂
  • GetRole 从工厂获取角色指针对象

难道是指针对象没有释放导致资源泄露?不,不是这个问题,我们也不必手动去释放指针,因为上面的工厂是「单例模式」,它的生命周期是从第一次初始化后到程序结束,那么程序结束后,操作系统自然就会回收工厂类里的所有指针对象资源。

但是当我们手动去释放从工厂获取的角色指针对象,那么就会有问题了:

RoleOperation* pRoleOperation =  RoleFactory::Instance().GetRole(roleName);
...
delete pRoleOperation; // 手动去释放指针对象

如果我们手动释放了指针对象,也就导致工厂里 map 中存放的指针对象指向了空,当下次再次使用时,就会招致程序奔溃!如下面的例子:

class JudgeRole {
public:
    std::string Judge(const std::string &roleName) {
        RoleOperation *pRoleOperation = RoleFactory::Instance().GetRole(roleName);
        std::string ret = pRoleOperation->Op();
        delete pRoleOperation; // 手动去释放指针对象
        return ret;
    }
};

int main() {
    InitializeRole(); // 优先初始化所有角色到工厂

    JudgeRole judgeRole;

    std::cout << judgeRole.Judge("ROLE_ROOT_ADMIN") << std::endl;
    std::cout << judgeRole.Judge("ROLE_ROOT_ADMIN") << std::endl; // 错误!程序会奔溃退出!

    return 0;
}

上面的代码在使用第二次 ROLE_ROOT_ADMIN 角色指针对象时,就会招致程序奔溃,因为 ROLE_ROOT_ADMIN 角色指针对象已经在第一次使用完后,被手动释放指针对象了,此时工厂 map 存放的就是空指针了。

可否优化呢?因为有的程序员是会手动释放从工厂获取的指针对象的。

上面的工厂类的缺陷就在于,new 初始化的指针对象只初始化了一次,如果手动 释放了指针对象,就会导致此指针对象指向空,再次使用就会导致系统奔溃。

为了改进这个问题,那么我们把 new 初始化方式放入工厂类获取指针对象的成员函数里,这也就每次调用该成员函数时,都是返回新 new 初始化过的指针对象,那么这时外部就需要由手动释放指针对象了。

下面的工厂类,改进了上面问题,同时采用模板技术,进一步对工厂类进行了封装,使得不管是角色类,还是其他类,只要存在多态特性的类,都可以使用此工厂类,可以说是「万能」的工厂类了:

接下来把新的「万能」工厂模板类,使用到本例的角色对象。

1. 把角色注册(聚合)到工厂的方式是构造 ProductRegistrar 对象 ,使用时需注意:

  • 模板参数 ProductType_t 指定的是基类(如本例 RoleOperation
  • 模板参数 ProductImpl_t 指定的是派生类(如本例 RootAdminRole、OrderAdminRole 和 NormalRole

我们使用新的注册(聚合)方式,对 InitializeRole 初始化角色函数改进下,参见下面:

void InitializeRole() // 初始化角色到工厂
{
    static bool bInitialized = false;

    if (bInitialized == false) {
        // 注册系统管理员
        static ProductRegistrar<RoleOperation, RootAdminRole> rootRegistrar("ROLE_ROOT_ADMIN");
        // 注册订单管理员
        static ProductRegistrar<RoleOperation, OrderAdminRole> orderRegistrar("ROLE_ORDER_ADMIN");
        // 注册普通用户
        static ProductRegistrar<RoleOperation, NormalRole> normalRegistrar("ROLE_NORMAL");
        bInitialized = true;
    }
}

2. 从工厂获取角色指针对象的函数是 GetProduct,需注意的是:

  • 使用完角色指针对象后,需手动 delete 资源。

我们使用新的获取角色对象的方式,对 Judge 函数改进下,参见下面:

class JudgeRole {
public:
    std::string Judge(const std::string &roleName) {
        ProductFactory<RoleOperation>& factory = ProductFactory<RoleOperation>::Instance();
        // 从工厂获取对应的指针对象
        RoleOperation *pRoleOperation = factory.GetProduct(roleName);
        // 调用角色的对应操作权限
        std::string result = pRoleOperation->Op();
        // 手动释放资源
        delete pRoleOperation;
        return result;
    }
};

唔,每次都手动释放资源这种事情,会很容易遗漏。如果我们遗漏了,就会招致了内存泄漏。为了避免此概率事情的发生,我们用上「智能指针],让它帮我们管理吧:

class JudgeRole {
public:
    std::string Judge(const std::string &roleName) {
        ProductFactory<RoleOperation>& factory = ProductFactory<RoleOperation>::Instance();
        std::shared_ptr<RoleOperation> pRoleOperation(factory.GetProduct(roleName));
        return pRoleOperation->Op();
    }
};

采用了 std::shared_ptr 引用计数智能指针,我们不在需要时刻记住要手动释放资源的事情啦(我们通常都会忘记……),该智能指针会在当引用次数为 0 时,自动会释放掉指针资源。

来,我们接着来,除了工厂模式,策略模式也不妨试一试


策略模式 —— 它不香吗?

策略模式和工厂模式写起来其实区别也不大!策略模式也采用了面向对象的继承和多态机制。

在上面工厂模式代码的基础上,按照策略模式的指导思想,我们也来创建一个所谓的策略上下文类,这里命名为 RoleContext

class RoleContext {
public:
    RoleContext(RoleOperation *operation) : m_pOperation(operation) {
    }

    ~RoleContext() {
        if (m_pOperation) {
            delete m_pOperation;
        }
    }

    std::string execute() {
        return m_pOperation->Op();
    }

private:
    // 禁止外部拷贝和赋值操作
    RoleContext(const RoleContext &);
    const RoleContext &operator=(const RoleContext &);

    RoleOperation *m_pOperation;
};

很明显上面传入的参数 operation 就是表示不同的「策略」。我们在业务代码里传入不同的角色,即可得到不同的操作结果:

class JudgeRole {
public:
    std::string Judge(RoleOperation *pOperation) {
        RoleContext roleContext(pOperation);
        return roleContext.execute();
    }
};

int main() {
    JudgeRole judgeRole;

    std::cout << judgeRole.Judge(new RootAdminRole("ROLE_ROOT_ADMIN")) << std::endl;
    std::cout << judgeRole.Judge(new OrderAdminRole("ROLE_ORDER_ADMIN")) << std::endl;
    std::cout << judgeRole.Judge(new NormalRole("ROLE_NORMAL")) << std::endl;

    return 0;
}

当然,上面策略类还可以进一步优化:

  • 用模板技术进一步封装,使其不限制于角色类。
// 策略类模板
// 模板参数 ProductType_t,表示的是基类
template <class ProductType_t>
class ProductContext {
public:
    ProductContext(ProductType_t *operation) 
                : m_pOperation(operation) {
    }

    ~ProductContext() {
        if (m_pOperation) {
            delete m_pOperation;
        }
    }

    std::string execute() {
        return m_pOperation->Op();
    }

private:
    // 禁止外部拷贝和赋值操作
    ProductContext(const ProductContext &);
    const ProductContext &operator=(const ProductContext &);

    ProductType_t* m_pOperation;
};

使用方式,没太大差别,只需要指定类模板参数是基类(如本例 RoleOperation) 即可:

class JudgeRole {
public:
    std::string Judge(RoleOperation *pOperation) {
        ProductContext<RoleOperation> roleContext(pOperation);
        return roleContext.execute();
    }
};

共勉

C++ 和 Java 语言都是面向对象编程的方式,所以都是可以通过面向对象和多态特性降低代码的耦合性,同时也可使得代码易扩展。所以对于写代码事情,不要着急下手,先思考是否有更简单、更好的方式去实现。

C++ 之父 Bjarne Stroustrup 曾经提及过程序员的三大美德是懒惰、急躁、傲慢,其中之一的懒惰这个品质,就是告知我们要花大力气去思考,避免消耗过多的精力个体力(如敲代码)。

若有错误或者不当之处,可在本公众号内反馈,一起学习交流!


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