【读书笔记】《C++ Software Design》第七章：Bridge、Prototype 与 External Polymorphism

《C++ Software Design》第七章：Bridge、Prototype 与 External Polymorphism

在追求低耦合、高扩展和良好封装的 C++ 软件架构设计中，如何抽象行为、复用结构、隔离模块依赖是关键。《C++ Software Design》第七章聚焦三个模式——Bridge、Prototype 和 External Polymorphism，它们分别解决“实现-接口解耦”、“抽象复制”和“非侵入式运行时多态”三大类问题。

Guideline 28：用 Bridge 模式解除物理依赖

什么是 Bridge 模式？

Bridge 模式的核心思想是将“抽象接口（Abstraction）”与“具体实现（Implementation）”分离，从而使它们可以独立演化。

目的：将接口和实现分离以减少物理依赖、降低构建成本。

UML 示意：

[Abstraction] → [Implementation Interface] ← [ConcreteImplementation]

一个动机示例

假设我们有多个图形类 Shape（如 Circle, Rectangle），它们依赖不同的渲染器（OpenGL、Direct2D）：

class OpenGLRenderer {
public:
    void drawCircle() { std::cout << "OpenGL Circle\n"; }
};

class Circle {
    OpenGLRenderer* renderer;
public:
    void draw() {
        renderer->drawCircle();  // 强耦合！
    }
};

这使得 Circle 绑定了 OpenGLRenderer，难以扩展或替换。

使用 Bridge 解耦

class Renderer {
public:
    virtual void drawCircle() = 0;
};

class OpenGLRenderer : public Renderer {
public:
    void drawCircle() override {
        std::cout << "OpenGL: Circle\n";
    }
};

class Shape {
protected:
    Renderer* renderer;
public:
    Shape(Renderer* r) : renderer(r) {}
    virtual void draw() = 0;
};

class Circle : public Shape {
public:
    using Shape::Shape;
    void draw() override {
        renderer->drawCircle();
    }
};

这样，Shape 和 Renderer 的继承树可独立变化，真正解耦。

Bridge 与 Strategy 的对比

Pimpl（Pointer to Implementation）

class Widget {
    struct Impl;
    std::unique_ptr<Impl> pImpl;
public:
    Widget();
    ~Widget();
    void draw();
};

优点：

• 隐藏实现细节（API 稳定）
• 减少头文件依赖
• 减少编译时间

Bridge 的短板分析

• 增加间接层次，导致理解和调试复杂性上升
• 对小型系统或临时原型而言设计成本较高
• 若实现接口变化频繁，也会影响稳定性

Guideline 29：桥接设计的性能权衡

虽然 Bridge 模式提升了解耦能力，但它也带来了性能成本，特别是在高频调用路径中。

性能影响分析

• 虚函数调用开销
• 缓存局部性降低
• 过度抽象使得优化受限

优化手段：Partial Bridge

将不变部分内联进抽象类，仅对可变部分桥接：

class Renderer {
public:
    virtual void drawCircle(float radius) = 0;
};

class Circle {
    Renderer* renderer;
    float radius;
public:
    void draw() {
        if (radius > 10) {
            // Fast path: inline draw logic
        } else {
            renderer->drawCircle(radius); // Bridge
        }
    }
};

Guideline 30：使用 Prototype 实现抽象复制

Prototype 模式是什么？

当你需要复制未知类型的对象时，不能直接使用复制构造函数或赋值。这时 Prototype 提供了解耦复制的方法。

class Animal {
public:
    virtual std::unique_ptr<Animal> clone() const = 0;
    virtual void sound() const = 0;
};

class Sheep : public Animal {
public:
    std::unique_ptr<Animal> clone() const override {
        return std::make_unique<Sheep>(*this);
    }
    void sound() const override {
        std::cout << "Baaa\n";
    }
};

与 std::variant 的对比

Prototype 缺点分析

• 所有子类需实现 clone()，违背开闭原则
• 容易遗漏深拷贝细节，产生 bug
• 缺乏语言级支持，机制易错

Guideline 31：External Polymorphism（外部多态）

什么是 External Polymorphism？

传统多态依赖继承与虚函数，但这要求你侵入类定义。External Polymorphism 提供了一种非侵入式运行时多态实现方式。

示例：绘图对象的非侵入式调用

struct Circle {
    void draw() const {
        std::cout << "Draw Circle\n";
    }
};

struct Square {
    void draw() const {
        std::cout << "Draw Square\n";
    }
};

class Shape {
    struct Concept {
        virtual void draw() const = 0;
        virtual std::unique_ptr<Concept> clone() const = 0;
        virtual ~Concept() = default;
    };

    template<typename T>
    struct Model : Concept {
        T data;
        Model(const T& d) : data(d) {}
        void draw() const override { data.draw(); }
        std::unique_ptr<Concept> clone() const override {
            return std::make_unique<Model<T>>(*this);
        }
    };

    std::unique_ptr<Concept> self;
public:
    template<typename T>
    Shape(T obj) : self(std::make_unique<Model<T>>(obj)) {}

    void draw() const { self->draw(); }
};

特性分析

• 不依赖虚函数或继承结构
• 支持任意用户类型，接口透明
• 可实现“按值”传递的运行时多态

与 Adapter 模式对比

缺点分析

• 实现繁琐（需要手动写 Concept/Model）
• 性能开销相较虚函数更大
• 对于移动语义支持较难实现完全泛化

总结对比

结语

Bridge、Prototype 和 External Polymorphism——分别应对模块解耦、对象复制和多态封装问题，是构建高可维护性、高可扩展性系统架构的有效手段。理解并掌握这些模式，不仅能提升你的 C++ 设计能力，也能让你更好地驾驭大型系统演化的复杂性。