22. 访问者模式（Visitor Pattern）

定义

访问者模式（Visitor Pattern） 是一种行为型设计模式，它允许你在不修改元素类的前提下，添加新的操作。访问者模式通过将操作封装在访问者对象中，从而使得你可以为不同类型的元素执行不同的操作，而不需要改变元素类的代码。

特性

• 元素接口：定义接受访问者的接口，使得元素类能够通过接受一个访问者对象来执行相关操作。
• 访问者接口：声明对所有元素的访问方法，每个元素类将实现该方法来执行特定的操作。
• 具体访问者类：实现访问者接口，针对不同类型的元素类执行特定操作。
• 元素类：包含接受访问者的方法，它可以被访问者访问并执行相关操作。

访问者模式能够将行为与数据结构分离，使得增加新的操作变得容易，同时也避免了在元素类中添加过多的操作。

场景

适用场景：

• 对象结构复杂且类之间有很多不同的操作：当系统中的对象结构复杂，并且对这些对象进行的操作多种多样，使用访问者模式可以使得操作代码集中在访问者中。
• 对象结构不易修改：当系统中的对象结构频繁变化时，可以通过访问者模式来避免修改元素类本身。
• 需要根据不同类型的元素执行不同的操作：当需要为元素类的不同子类执行不同的操作时，访问者模式能够为每个元素类型提供特定的操作。

应用场景：

• 图形编辑器：图形编辑器中可能有多个形状（如圆形、矩形、三角形等），每种形状的操作不同（如计算面积、绘制等），访问者模式可以将这些操作集中到一个访问者类中。
• 编译器和解析器：在编译器中，访问者模式可以用于不同语法树节点的遍历和处理，针对每个节点类型执行不同的操作。

类设计

访问者模式通常包括以下几个角色：

1. Visitor（访问者接口）：声明访问每个元素的操作。
2. ConcreteVisitor（具体访问者）：实现 Visitor 接口，针对每个元素执行具体的操作。
3. Element（元素接口）：定义接受访问者的方法，使得访问者能够访问该元素。
4. ConcreteElement（具体元素）：实现 Element 接口，表示具体的元素，它将接受访问者的访问。
5. ObjectStructure（对象结构）：维护元素对象，允许访问者遍历元素对象。

代码实现

我们通过设计一个 图形编辑器 来演示访问者模式。图形编辑器包含不同类型的图形（如 Circle 和 Rectangle），每个图形对象可以接受一个访问者执行不同的操作（如计算面积、绘制图形等）。

1. 定义访问者接口（Visitor）

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

// 访问者接口
class ShapeVisitor {
public:
    virtual void visit(class Circle* circle) = 0;
    virtual void visit(class Rectangle* rectangle) = 0;
    virtual ~ShapeVisitor() {}
};

• ShapeVisitor 是访问者接口，声明了访问不同元素的方法。每个具体访问者会实现这些方法，针对不同的图形执行不同的操作。

2. 定义元素接口（Element）

// 元素接口
class Shape {
public:
    virtual void accept(ShapeVisitor* visitor) = 0;  // 接受访问者
    virtual ~Shape() {}
};

• Shape 是元素接口，定义了接受访问者的方法 accept()，它将接受一个 ShapeVisitor 对象，并调用访问者的相应方法。

3. 定义具体元素类（ConcreteElement）

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;

public:
    Circle(double radius) : radius(radius) {}

    void accept(ShapeVisitor* visitor) override {
        visitor->visit(this);  // 将访问者传递给访问者接口
    }

    double getArea() {
        return 3.14 * radius * radius;  // 计算圆的面积
    }
};

class Rectangle : public Shape {
private:
    double width, height;

public:
    Rectangle(double width, double height) : width(width), height(height) {}

    void accept(ShapeVisitor* visitor) override {
        visitor->visit(this);  // 将访问者传递给访问者接口
    }

    double getArea() {
        return width * height;  // 计算矩形的面积
    }
};

• Circle 和 Rectangle 是具体元素类，分别表示圆形和矩形。
• 每个元素类都实现了 accept() 方法，并将当前对象传递给访问者。

4. 定义具体访问者类（ConcreteVisitor）

class AreaCalculator : public ShapeVisitor {
public:
    void visit(Circle* circle) override {
        cout << "Area of Circle: " << circle->getArea() << endl;
    }

    void visit(Rectangle* rectangle) override {
        cout << "Area of Rectangle: " << rectangle->getArea() << endl;
    }
};

• AreaCalculator 是一个具体的访问者类，它实现了 ShapeVisitor 接口，计算不同形状的面积。

5. 客户端调用

int main() {
    // 创建图形对象
    Shape* circle = new Circle(5.0);
    Shape* rectangle = new Rectangle(4.0, 6.0);

    // 创建访问者对象
    ShapeVisitor* areaCalculator = new AreaCalculator();

    // 客户端使用访问者访问不同的元素
    circle->accept(areaCalculator);  // 输出: Area of Circle: 78.5
    rectangle->accept(areaCalculator);  // 输出: Area of Rectangle: 24

    // 清理内存
    delete circle;
    delete rectangle;
    delete areaCalculator;

    return 0;
}

6. 输出结果

Area of Circle: 78.5
Area of Rectangle: 24

• 在客户端代码中，我们创建了一个 Circle 和一个 Rectangle，并为每个图形对象调用了 accept() 方法。accept() 方法会将图形对象传递给 AreaCalculator 访问者，访问者根据不同的图形类型执行相应的操作（计算面积）。

访问者模式的优缺点

优点：

• 开放封闭原则：通过访问者模式，可以在不修改元素类的情况下，增加新的操作。你只需要增加新的访问者类即可。
• 集中行为：访问者模式将操作集中到访问者中，使得元素类只专注于存储数据和执行其本身的行为，而不需要关心具体操作的实现。
• 易于扩展：随着系统的变化，你可以添加新的操作，而不需要修改已有的元素类。

缺点：

增加类的数量：访问者模式需要为每个操作增加一个具体访问者类，可能导致类的数量增加。
难以处理新元素类型：如果需要向系统中添加新的元素类型，则需要修改所有的访问者类，导致扩展变得复杂。

场景

适用场景：

• 操作和数据结构分离：当你需要对不同类型的元素执行多种操作，并希望将操作与数据结构解耦时，访问者模式是一种理想的选择。
• 添加新操作时不修改现有类：当你希望向现有类添加新功能，但又不希望修改它们的代码时，可以使用访问者模式来增加新的操作。
• 对象结构需要遍历：如果你需要遍历对象结构，并对每个元素执行不同的操作时，访问者模式能够帮助简化遍历过程。

编程案例：

1. 图形处理应用：在图形编辑器中，你可能有多个图形（如圆形、矩形、三角形等），每个图形可以有多个操作（如计算面积、绘制、转换等），可以使用访问者模式来集中管理这些操作。
2. 文件系统扫描：当你扫描文件系统并对不同类型的文件执行不同的操作时，访问者模式可以让你为每种文件类型提供不同的处理方法，而不需要修改文件类型本身。
3. 解析器与编译器：在编译器中，访问者模式用于对抽象语法树的节点执行不同的操作，比如生成代码、优化代码等。

总结

访问者模式通过将操作封装成访问者对象，解耦了操作与数据结构。它使得系统能够在不修改元素类的情况下，增加新的操作，并且能够处理不同类型的元素。访问者模式适用于操作和数据结构分离、需要增加新操作但不修改现有类的场景，特别是在处理复杂的数据结构时非常有效。