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淺談 C++17 里的 Visitor 模式

 更新時(shí)間：2021年09月17日 16:07:49   作者：hedzr  
Visitor模式經(jīng)常用于將更新的設(shè)計(jì)封裝在一個(gè)類中，并且由待更改的類提供一個(gè)接受接口，其關(guān)鍵技術(shù)在于雙分派技術(shù)，本文主要介紹 C++17 里的 Visitor 模式的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下面文章的具體內(nèi)容

一、Visitor Pattern

訪問(wèn)者模式是一種行為模式，允許任意的分離的訪問(wèn)者能夠在管理者控制下訪問(wèn)所管理的元素。訪問(wèn)者不能改變對(duì)象的定義（但這并不是強(qiáng)制性的，你可以約定為允許改變）。對(duì)管理者而言，它不關(guān)心究竟有多少訪問(wèn)者，它只關(guān)心一個(gè)確定的元素訪問(wèn)順序（例如對(duì)于二叉樹(shù)來(lái)說(shuō)，你可以提供中序、前序等多種訪問(wèn)順序）。

1、組成

Visitor 模式包含兩個(gè)主要的對(duì)象：Visitable 對(duì)象和 Vistor 對(duì)象。此外，作為將被操作的對(duì)象，在 Visitor 模式中也包含 Visited 對(duì)象。

一個(gè) Visitable 對(duì)象，即管理者，可能包含一系列形態(tài)各異的元素（Visited），它們可能在 Visitable 中具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)關(guān)系（但也可以是某種單純的容納關(guān)系，如一個(gè)簡(jiǎn)單的 vector）。Visitable 一般會(huì)是一個(gè)復(fù)雜的容器，負(fù)責(zé)解釋這些關(guān)系，并以一種標(biāo)準(zhǔn)的邏輯遍歷這些元素。當(dāng) Visitable 對(duì)這些元素進(jìn)行遍歷時(shí)，它會(huì)將每個(gè)元素提供給 Visitor 令其能夠訪問(wèn)該 Visited 元素。

這樣一種編程模式就是 Visitor Pattern。

2、接口

為了能夠觀察每個(gè)元素，因此實(shí)際上必然會(huì)有一個(gè)約束：所有的可被觀察的元素具有共同的基類 Visited。

所有的 Visitors 必須派生于 Visitor 才能提供給 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、場(chǎng)景

以一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)，假設(shè)我們正在設(shè)計(jì)一套矢量圖編輯器，在畫布（Canvas）中，可以有很多圖層（Layer），每一圖層包含一定的屬性（例如填充色，透明度），并且可以有多種圖元（Element）。圖元可以是 Point，Line，Rect，Arc 等等。

為了能夠?qū)嫴祭L制在屏幕上，我們可以有一個(gè) Screen 設(shè)備對(duì)象，它實(shí)現(xiàn)了 Visitor 接口，因此畫布可以接受 Screen 的訪問(wèn)，從而將畫布中的圖元繪制到屏幕上。

如果我們提供 Printer 作為觀察者 ，那么畫布將能夠把圖元打印出來(lái)。

如果我們提供 Document 作為觀察者，那么畫布將能夠把圖元特性序列化到一個(gè)磁盤文件中去。

如果今后需要其它的行為，我們可以繼續(xù)增加新的觀察者，然后對(duì)畫布及其所擁有的圖元進(jìn)行類似的操作。

4、特點(diǎn)

  • 如果你需要對(duì)一個(gè)復(fù)雜對(duì)象結(jié)構(gòu) （例如對(duì)象樹(shù)） 中的所有元素執(zhí)行某些操作， 可使用訪問(wèn)者模式。
  • 訪問(wèn)者模式將非主要的功能從對(duì)象管理者身上抽離，所以它也是一種解耦手段。
  • 如果你正在制作一個(gè)對(duì)象庫(kù)的類庫(kù)，那么向外提供一個(gè)訪問(wèn)接口，將會(huì)有利于用戶無(wú)侵入地開(kāi)發(fā)自己的 visitor 來(lái)訪問(wèn)你的類庫(kù)——他不必為了自己的一點(diǎn)點(diǎn)事情就給你 issue/pull request。
  • 對(duì)于結(jié)構(gòu)層級(jí)復(fù)雜的情況，要善于使用對(duì)象嵌套與遞歸能力，避免反復(fù)編寫相似邏輯。

請(qǐng)查閱 canva，layer，group 的參考實(shí)現(xiàn)，它們通過(guò)實(shí)現(xiàn) drawable 和 vistiable<drawable> 的方式完成了嵌套性的自我管理能力，并使得 accept() 能夠遞歸地進(jìn)入每一個(gè)容器中。

5、實(shí)現(xiàn)

我們以矢量圖編輯器的一部分為示例進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，采用了前面給出的基礎(chǔ)類模板。

drawable 和 基礎(chǔ)圖元

首先做 drawable/shape 的基本聲明以及基礎(chǔ)圖元：

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)
}

為了調(diào)試目的，我們重載了 '<<' 流輸出運(yùn)算符，而且利用宏 MAKE_DRAWABLE 來(lái)削減重復(fù)性代碼的鍵擊輸入。在 MAKE_DRAWABLE 宏中，我們通過(guò) hicc::debug::type_name<T>() 來(lái)獲得類名，并將此作為字符串從 drawable::type_name() 返回。

出于簡(jiǎn)化的理由基礎(chǔ)圖元沒(méi)有進(jìn)行層次化，而是平行地派生于 drawable。

復(fù)合性圖元和圖層

下面聲明 group 對(duì)象，這種對(duì)象包含一組圖元。由于我們想要盡可能多的遞歸結(jié)構(gòu)，所以圖層也被認(rèn)為是一種一組圖元的組合形式：

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 中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 visitable 接口，它的 accept 能夠接受訪問(wèn)者的訪問(wèn)，此時(shí) 圖元組 group 會(huì)遍歷自己的所有圖元并提供給訪問(wèn)者。

我們還可以基于 group class 創(chuàng)建 compound 圖元類型，它允許將若干圖元組合成一個(gè)新的圖元元件，兩者的區(qū)別在于，group 一般是 UI 操作中的臨時(shí)性對(duì)象，而 compound 圖元能夠作為元件庫(kù)中的一員供用戶挑選和使用。
默認(rèn)時(shí) guest 會(huì)訪問(wèn) visited const & 形式的圖元，也就是只讀方式。

圖層至少具有 group 的全部能力，所以面對(duì)訪問(wèn)者它的做法是相同的。圖層的屬性部分（mask，overlay 等等）被略過(guò)了。

畫布 Canvas

畫布包含了若干圖層，所以它同樣應(yīng)該實(shí)現(xiàn) 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 將會(huì)以默認(rèn)參數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新圖層，圖層順序遵循向上疊加方式。get 和 [] 運(yùn)算符能夠通過(guò)正整數(shù)下標(biāo)訪問(wèn)某一個(gè)圖層。但是代碼中沒(méi)有包含圖層順序的管理功能，如果有意，你可以添加一個(gè) std::vector<draw_id> 的輔助結(jié)構(gòu)來(lái)幫助管理圖層順序。

現(xiàn)在我們來(lái)回顧畫布-圖層-圖元體系，accept 接口成功地貫穿了整個(gè)體系。

是時(shí)候建立訪問(wèn)者們了

screen 或 printer

這兩者實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的訪問(wèn)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 是一個(gè)簡(jiǎn)易的串流包裝，它做如下的核心邏輯：

template<typename T>
inline std::string to_string(T const &t) {
  std::stringstream ss;
  ss << t;
  return ss.str();
}

test case

測(cè)試程序構(gòu)造了微型的畫布以及幾個(gè)圖元，然后示意性地訪問(wèn)它們：

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);
}

輸出結(jié)果應(yīng)該類似于這樣：

--- 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 模式有時(shí)候能夠被迭代器模式所代替。但是迭代器常常會(huì)有一個(gè)致命缺陷而影響了其實(shí)用性：迭代器本身可能是僵化的、高代價(jià)的、效率低下的——除非你做出了最恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)時(shí)選擇并實(shí)現(xiàn)了最精巧的迭代器。 它們兩者都允許用戶無(wú)侵入地訪問(wèn)一個(gè)已知的復(fù)雜容器的內(nèi)容。

到此這篇關(guān)于淺談 C++17 里的 Visitor 模式的文章就介紹到這了,更多相關(guān) C++17 里的 Visitor 模式內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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