设计模式(C++)详解——命令模式（1） - 指南

1. 背景与核心概念

1.1 起源与发展历程

命令模式最早由Gamma、Helm、Johnson和Vlissides在1994年的经典著作《设计模式：可复用面向对象软件的基础》中提出。该模式源于对GUI系统中菜单项和按钮操作的抽象需求，逐渐发展成为处理操作请求的通用解决方案。

发展时间线：

• 1994年：GoF首次系统化描述命令模式
• 2000年代：广泛应用于GUI框架、游戏开发、事务系统
• 2010年代至今：在微服务架构、事件溯源系统中焕发新生

1.2 核心概念解析

命令模式的核心在于将"请求"封装为对象，其主要参与者包括：

关键术语说明：

角色	职责	实例
Command（命令）	声明执行操作的接口	Action接口
ConcreteCommand（具体命令）	将接收者绑定到动作	CopyCommand、PasteCommand
Client（客户端）	创建具体命令对象	应用程序代码
Invoker（调用者）	要求命令执行请求	按钮、菜单项
Receiver（接收者）	知道如何实施操作	文档、编辑器

2. 设计意图与考量

2.1 核心设计目标

解耦请求发送者与接收者

• 发送者无需知道接收者的具体接口
• 接收者变化不影响发送者代码
• 支持请求的排队、日志记录、撤销等高级功能

设计权衡分析：

优势	代价
✅ 降低系统耦合度	❌ 增加类的数量
✅ 支持撤销/重做	❌ 可能引入性能开销
✅ 易于扩展新命令	❌ 设计复杂度提高
✅ 支持宏命令组合	❌ 需要额外内存存储命令状态

2.2 架构设计考量

3. 实例与应用场景

3.1 案例1：文本编辑器的撤销/重做系统

场景描述：
现代文本编辑器需要支持复杂的编辑操作撤销功能，用户可能需要在多次编辑后回退到之前的状态。

实现代码：

#include <iostream>#include <vector>#include <stack>#include <string>#include <memory>/*** @brief 文档类 - 命令的接收者** 负责实际执行文本操作，如插入、删除文本等。* 包含文档内容和光标位置状态。*/class Document{private:std::string content_;size_t cursorPosition_;public:Document() : content_(""), cursorPosition_(0) {}/*** @brief 在光标位置插入文本** 输入变量说明：* - text: 要插入的文本内容** 输出变量说明：* - content_: 更新后的文档内容* - cursorPosition_: 移动后的光标位置*/void insertText(const std::string& text) {content_.insert(cursorPosition_, text);cursorPosition_ += text.length();std::cout <<"插入文本: \"" << text <<"\"，当前内容: \"" << content_ <<"\"" << std::endl;}/*** @brief 删除指定长度的文本** 输入变量说明：* - length: 要删除的字符数** 返回值说明：* 返回被删除的文本内容，用于撤销操作*/std::string deleteText(size_t length) {if (cursorPosition_ < length) {length = cursorPosition_;}size_t startPos = cursorPosition_ - length;std::string deleted = content_.substr(startPos, length);content_.erase(startPos, length);cursorPosition_ = startPos;std::cout <<"删除文本: \"" << deleted <<"\"，当前内容: \"" << content_ <<"\"" << std::endl;return deleted;}/*** @brief 移动光标位置** 输入变量说明：* - position: 新的光标位置*/void setCursorPosition(size_t position) {if (position > content_.length()) {position = content_.length();}cursorPosition_ = position;}std::string getContent() const {return content_;}size_t getCursorPosition() const {return cursorPosition_;}};/*** @brief 命令接口 - 声明执行和撤销操作** 所有具体命令类的基类，定义命令的统一接口。*/class Command{public:virtual ~Command() = default;/*** @brief 执行命令操作*/virtual void execute() = 0;/*** @brief 撤销命令操作*/virtual void undo() = 0;/*** @brief 获取命令描述（用于显示）*/virtual std::string getDescription() const = 0;};/*** @brief 插入文本命令 - 具体命令实现** 封装插入文本操作，保存操作状态以支持撤销。*/class InsertTextCommand: public Command {private:Document& document_;std::string text_;size_t position_;public:/*** @brief 构造函数** 输入变量说明：* - doc: 目标文档引用* - text: 要插入的文本*/InsertTextCommand(Document& doc, const std::string& text): document_(doc), text_(text), position_(doc.getCursorPosition()) {}void execute() override {document_.setCursorPosition(position_);document_.insertText(text_);}void undo() override {document_.setCursorPosition(position_);document_.deleteText(text_.length());document_.setCursorPosition(position_);// 恢复光标位置}std::string getDescription() const override {return "插入文本: \"" + text_ + "\"";}};/*** @brief 删除文本命令 - 具体命令实现** 封装删除文本操作，保存被删除内容以支持撤销。*/class DeleteTextCommand: public Command {private:Document& document_;size_t length_;std::string deletedText_;size_t position_;public:/*** @brief 构造函数** 输入变量说明：* - doc: 目标文档引用* - length: 要删除的字符数*/DeleteTextCommand(Document& doc, size_t length): document_(doc), length_(length), position_(doc.getCursorPosition()) {}void execute() override {document_.setCursorPosition(position_);deletedText_ = document_.deleteText(length_);}void undo() override {document_.setCursorPosition(position_);document_.insertText(deletedText_);}std::string getDescription() const override {return "删除文本: \"" + deletedText_ + "\"";}};/*** @brief 命令历史管理器 - 支持撤销/重做功能** 维护命令执行历史，提供撤销和重做操作接口。*/class CommandHistory{private:std::stack<std::unique_ptr<Command>> undoStack_;std::stack<std::unique_ptr<Command>> redoStack_;public:/*** @brief 执行新命令并添加到历史记录** 输入变量说明：* - command: 要执行的命令对象** 输出变量说明：* - undoStack_: 命令被压入撤销栈* - redoStack_: 重做栈被清空*/void executeCommand(std::unique_ptr<Command> command) {command->execute();undoStack_.push(std::move(command));// 执行新命令时清空重做栈while (!redoStack_.empty()) {redoStack_.pop();}std::cout <<"命令已执行" << std::endl;}/*** @brief 撤销最近执行的命令** 返回值说明：* 成功撤销返回true，无命令可撤销返回false*/bool undo() {if (undoStack_.empty()) {std::cout <<"无可撤销的命令" << std::endl;return false;}auto command = std::move(undoStack_.top());undoStack_.pop();command->undo();redoStack_.push(std::move(command));std::cout <<"命令已撤销" << std::endl;return true;}/*** @brief 重做最近撤销的命令** 返回值说明：* 成功重做返回true，无命令可重做返回false*/bool redo() {if (redoStack_.empty()) {std::cout <<"无可重做的命令" << std::endl;return false;}auto command = std::move(redoStack_.top());redoStack_.pop();command->execute();undoStack_.push(std::move(command));std::cout <<"命令已重做" << std::endl;return true;}/*** @brief 显示命令历史状态*/void showHistory() const {std::cout <<"=== 命令历史 ===" << std::endl;std::cout <<"撤销栈大小: " << undoStack_.size() << std::endl;std::cout <<"重做栈大小: " << redoStack_.size() << std::endl;}};// 测试代码int main() {Document doc;CommandHistory history;std::cout <<"=== 文本编辑器命令模式演示 ===" << std::endl;// 执行一系列编辑操作history.executeCommand(std::make_unique<InsertTextCommand>(doc, "Hello"));history.executeCommand(std::make_unique<InsertTextCommand>(doc, " World"));history.executeCommand(std::make_unique<InsertTextCommand>(doc, "!"));std::cout <<"\n当前文档内容: \"" << doc.getContent() <<"\"" << std::endl;history.showHistory();// 测试撤销功能std::cout <<"\n=== 测试撤销功能 ===" << std::endl;history.undo();std::cout <<"撤销后内容: \"" << doc.getContent() <<"\"" << std::endl;history.undo();std::cout <<"再次撤销后内容: \"" << doc.getContent() <<"\"" << std::endl;// 测试重做功能std::cout <<"\n=== 测试重做功能 ===" << std::endl;history.redo();std::cout <<"重做后内容: \"" << doc.getContent() <<"\"" << std::endl;history.showHistory();return 0;}

3.2 案例2：智能家居控制系统

场景描述：
智能家居系统需要统一控制多种设备（灯光、空调、窗帘等），支持情景模式（如"回家模式"、“影院模式”）和定时任务。

实现时序图：

4. 编译与运行说明

4.1 Makefile范例

# 编译器设置
CXX := g++
CXXFLAGS := -std=c++17 -Wall -Wextra -O2
TARGET := command_pattern_demo
SOURCES := main.cpp
# 默认目标
$(TARGET): $(SOURCES)
$(CXX) $(CXXFLAGS) -o $(TARGET) $(SOURCES)
# 调试版本
debug: CXXFLAGS += -g -DDEBUG
debug: $(TARGET)
# 清理构建文件
clean:
rm -f $(TARGET) *.o
# 安装到系统目录（示例）
install: $(TARGET)
sudo cp $(TARGET) /usr/local/bin/
# 运行测试
test: $(TARGET)
./$(TARGET)
.PHONY: clean install test debug

4.2 编译与运行方法

编译步骤：

# 1. 使用make编译
make
# 2. 或者直接使用g++编译
g++ -std=c++17 -Wall -Wextra -O2 -o command_demo main.cpp
# 3. 编译调试版本
make debug

运行方式：

# 运行程序
./command_pattern_demo
# 运行并测试
make test

预期输出结果：

=== 文本编辑器命令模式演示 ===
插入文本: "Hello"，当前内容: "Hello"
命令已执行
插入文本: " World"，当前内容: "Hello World"
命令已执行
插入文本: "!"，当前内容: "Hello World!"
命令已执行
当前文档内容: "Hello World!"
=== 命令历史 ===
撤销栈大小: 3
重做栈大小: 0
=== 测试撤销功能 ===
删除文本: "!"，当前内容: "Hello World"
命令已撤销
撤销后内容: "Hello World"
删除文本: " World"，当前内容: "Hello"
命令已撤销
再次撤销后内容: "Hello"
=== 测试重做功能 ===
插入文本: " World"，当前内容: "Hello World"
命令已重做
重做后内容: "Hello World"
=== 命令历史 ===
撤销栈大小: 2
重做栈大小: 1

5. 高级应用与最佳实践

5.1 命令模式的变体与扩展

1. 事务性命令模式

class TransactionalCommand
: public Command {
private:
std::vector<std::unique_ptr<Command>> commands_;public:void addCommand(std::unique_ptr<Command> cmd) {commands_.push_back(std::move(cmd));}void execute() override {for (auto& cmd : commands_) {cmd->execute();}}void undo() override {for (auto it = commands_.rbegin(); it != commands_.rend();++it) {(*it)->undo();}}};

2. 异步命令模式

class AsyncCommand
: public Command {
public:
virtual std::future<
void>
executeAsync() = 0;
};

5.2 性能优化策略

优化技术	适用场景	实现方式
命令对象池	高频命令创建	对象池模式复用命令实例
懒加载状态	大状态命令	只在撤销时加载必要状态
增量式撤销	大数据量操作	只存储变化差异

6. 现代框架中的应用

6.1 Qt框架中的命令模式

// QUndoCommand是Qt中命令模式的典型实现
class CustomCommand
: public QUndoCommand {
public:
CustomCommand(Editor* editor, const QString& oldText, const QString& newText)
: editor_(editor), oldText_(oldText), newText_(newText) {
}
void undo() override {
editor_->
setText(oldText_);
}
void redo() override {
editor_->
setText(newText_);
}
private:
Editor* editor_;
QString oldText_;
QString newText_;
};

总结

命令模式通过将操作请求封装为对象，实现了请求发送者与接收者的解耦，为复杂系统提供了强大的灵活性和可扩展性。该模式特别适合于需要支持撤销/重做、事务处理、宏命令等高级功能的场景。

核心价值体现：

• 解耦设计：彻底分离调用者与实现者
• 撤销重做：天然支持操作历史管理
• 组合扩展：易于实现宏命令和事务
• 日志审计：便于操作记录和追踪

命令模式在现代软件架构中仍然具有重要地位，特别是在GUI框架、游戏引擎、事务系统等领域的应用证明了其持久的设计价值。

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注：本文详细解析了命令模式的各个方面，实际应用时请根据具体场景选择合适的实现方式。命令模式虽强大，但也要避免在不必要的场景中过度设计。