【Qt】 設計模式

在Qt應用程序開發中，結合數據庫操作、通信、界面邏輯和顯示等功能，以下是常用的設計模式及其典型應用場景：

一、MVC/MVVM（模型-視圖-控制器/視圖模型）

作用：分離數據（模型）、界面（視圖）和業務邏輯（控制器/視圖模型），提升可維護性。
Qt實現：

  • MVC：Qt提供QAbstractItemModel、QListView/QTableView等組件，支持數據與視圖分離。
  • MVVM：結合Qt的屬性系統和信號槽，通過QObject和Q_PROPERTY實現視圖模型。

典型場景：

  • 數據庫查詢結果的表格展示（如QSqlTableModel與QTableView結合）。
  • 表單數據的雙向綁定（視圖變化自動更新模型，反之亦然）。

示例代碼：

// 模型（數據庫操作）
QSqlTableModel model;
model.setTable("users");
model.select();// 視圖（界面顯示）
QTableView tableView;
tableView.setModel(model);// 控制器（業務邏輯，如按鈕點擊事件）
QPushButton deleteButton("刪除選中行");
connect(&deleteButton, &QPushButton::clicked, [&]() {QModelIndexList selected = tableView.selectedIndexes();if (!selected.isEmpty()) {model.removeRow(selected.first().row());model.submitAll();  // 提交到數據庫}
});

二、單例模式（Singleton）

作用：確保一個類只有一個實例，并提供全局訪問點。
典型場景：

  • 數據庫連接管理（避免重復創建連接）。
  • 全局配置管理器。
  • 網絡通信模塊（如唯一的WebSocket客戶端）。

示例代碼：

class DatabaseManager {
public:static DatabaseManager& getInstance() {static DatabaseManager instance;  // 線程安全的單例實現return instance;}QSqlDatabase getDatabase() {return db;}private:DatabaseManager() {db = QSqlDatabase::addDatabase("QSQLITE");db.setDatabaseName("mydatabase.db");if (!db.open()) {qDebug() << "Database error:" << db.lastError().text();}}~DatabaseManager() {if (db.isOpen()) {db.close();}}QSqlDatabase db;Q_DISABLE_COPY(DatabaseManager)  // 禁止拷貝構造和賦值
};

三、觀察者模式（Observer）

作用：對象間的一對多依賴關系，當一個對象狀態變化時，所有依賴者自動收到通知。
Qt實現：基于信號槽機制。
典型場景：

  • 數據庫數據更新時通知界面刷新。
  • 網絡通信中接收到新消息時通知相關模塊。
  • 多窗口間的數據同步。

示例代碼：

// 數據模型（被觀察對象）
class DataModel : public QObject {Q_OBJECT
public:void updateData(const QString& newData) {m_data = newData;emit dataChanged(m_data);  // 發送信號通知觀察者}signals:void dataChanged(const QString& data);private:QString m_data;
};// 視圖（觀察者）
class DataView : public QLabel {Q_OBJECT
public:explicit DataView(QWidget* parent = nullptr) : QLabel(parent) {connect(&model, &DataModel::dataChanged, this, &DataView::updateDisplay);}private slots:void updateDisplay(const QString& data) {setText(data);  // 更新界面顯示}private:DataModel model;
};

四、工廠模式（Factory）

作用：通過工廠類創建對象，解耦對象的創建和使用。
典型場景：

  • 根據配置動態創建不同類型的數據庫連接（如MySQL、SQLite）。
  • 網絡通信協議的抽象（如HTTP、WebSocket、MQTT）。

示例代碼：

// 抽象產品：數據庫連接
class DatabaseConnection {
public:virtual bool open() = 0;virtual void close() = 0;virtual ~DatabaseConnection() {}
};// 具體產品：MySQL連接
class MySQLConnection : public DatabaseConnection {
public:bool open() override { /* 實現MySQL連接邏輯 */ }void close() override { /* 實現MySQL關閉邏輯 */ }
};// 具體產品：SQLite連接
class SQLiteConnection : public DatabaseConnection {
public:bool open() override { /* 實現SQLite連接邏輯 */ }void close() override { /* 實現SQLite關閉邏輯 */ }
};// 工廠類
class DatabaseFactory {
public:static DatabaseConnection* createConnection(const QString& type) {if (type == "mysql") {return new MySQLConnection();} else if (type == "sqlite") {return new SQLiteConnection();}return nullptr;}
};

五、命令模式（Command）

作用：將請求封裝為對象，支持請求的參數化、排隊、記錄和撤銷。
典型場景：

  • 數據庫操作的批量執行（如事務中的多個增刪改查）。
  • 撤銷/重做功能的實現。

示例代碼：

// 抽象命令
class Command {
public:virtual void execute() = 0;virtual void undo() = 0;virtual ~Command() {}
};// 具體命令：數據庫插入
class InsertCommand : public Command {
public:InsertCommand(QSqlDatabase& db, const QString& table, const QVariantMap& data): m_db(db), m_table(table), m_data(data) {}void execute() override {// 執行插入操作QSqlQuery query(m_db);QString fields = m_data.keys().join(", ");QString placeholders = QStringList(m_data.size(), "?").join(", ");query.prepare(QString("INSERT INTO %1 (%2) VALUES (%3)").arg(m_table, fields, placeholders));int i = 0;for (const auto& value : m_data.values()) {query.bindValue(i++, value);}m_success = query.exec();m_lastInsertId = query.lastInsertId();}void undo() override {// 撤銷插入（刪除剛插入的記錄）if (m_success && m_lastInsertId.isValid()) {QSqlQuery query(m_db);query.prepare(QString("DELETE FROM %1 WHERE id = ?").arg(m_table));query.bindValue(0, m_lastInsertId);query.exec();}}private:QSqlDatabase& m_db;QString m_table;QVariantMap m_data;bool m_success = false;QVariant m_lastInsertId;
};

六、狀態模式（State）

作用：允許對象在內部狀態改變時改變其行為，將狀態邏輯封裝到不同的狀態類中。
典型場景：

  • 網絡連接狀態管理（如未連接、連接中、已連接、斷開）。
  • 數據庫操作的狀態流轉（如事務的開始、提交、回滾）。

示例代碼：

// 抽象狀態
class ConnectionState {
public:virtual void connect() = 0;virtual void disconnect() = 0;virtual void sendData(const QByteArray& data) = 0;virtual ~ConnectionState() {}
};// 具體狀態：未連接
class DisconnectedState : public ConnectionState {
public:void connect() override {// 執行連接邏輯qDebug() << "Connecting...";// 連接成功后切換到ConnectedState}void disconnect() override {qDebug() << "Already disconnected";}void sendData(const QByteArray& data) override {qDebug() << "Cannot send data: not connected";}
};// 上下文類
class NetworkConnection {
public:void setState(ConnectionState* state) {delete m_state;m_state = state;}void connect() { m_state->connect(); }void disconnect() { m_state->disconnect(); }void sendData(const QByteArray& data) { m_state->sendData(data); }private:ConnectionState* m_state = new DisconnectedState();
};

七、代理模式（Proxy）

作用：為其他對象提供一種代理以控制對這個對象的訪問。
典型場景：

  • 數據庫操作的權限控制（如只讀代理、讀寫代理）。
  • 網絡請求的緩存代理（避免重復請求相同數據）。

示例代碼：

// 抽象主題：數據庫操作
class DatabaseOperations {
public:virtual QSqlQuery executeQuery(const QString& sql) = 0;virtual ~DatabaseOperations() {}
};// 真實主題：實際數據庫操作
class RealDatabaseOperations : public DatabaseOperations {
public:explicit RealDatabaseOperations(const QSqlDatabase& db) : m_db(db) {}QSqlQuery executeQuery(const QString& sql) override {QSqlQuery query(m_db);query.exec(sql);return query;}private:QSqlDatabase m_db;
};// 代理：只讀權限代理
class ReadOnlyDatabaseProxy : public DatabaseOperations {
public:explicit ReadOnlyDatabaseProxy(DatabaseOperations* realOps) : m_realOps(realOps) {}QSqlQuery executeQuery(const QString& sql) override {// 檢查是否為只讀操作（如SELECT語句）if (sql.trimmed().toUpper().startsWith("SELECT")) {return m_realOps->executeQuery(sql);} else {qDebug() << "Read-only proxy: write operations are not allowed";return QSqlQuery();}}private:DatabaseOperations* m_realOps;
};

八、策略模式（Strategy）

作用：定義一系列算法，將每個算法封裝起來，并使它們可以相互替換。
典型場景：

  • 根據配置選擇不同的數據庫加密策略。
  • 網絡通信中根據網絡狀態選擇不同的傳輸協議（如WiFi用HTTP，4G用WebSocket）。

示例代碼：

// 抽象策略：數據加密
class EncryptionStrategy {
public:virtual QByteArray encrypt(const QByteArray& data) = 0;virtual QByteArray decrypt(const QByteArray& data) = 0;virtual ~EncryptionStrategy() {}
};// 具體策略：AES加密
class AESEncryption : public EncryptionStrategy {
public:QByteArray encrypt(const QByteArray& data) override {// 實現AES加密邏輯return "AES-encrypted:" + data;}QByteArray decrypt(const QByteArray& data) override {// 實現AES解密邏輯return data.mid(11);  // 移除"AES-encrypted:"前綴}
};// 具體策略：Base64編碼（非加密）
class Base64Encoding : public EncryptionStrategy {
public:QByteArray encrypt(const QByteArray& data) override {return data.toBase64();}QByteArray decrypt(const QByteArray& data) override {return QByteArray::fromBase64(data);}
};// 上下文類
class DataManager {
public:void setEncryptionStrategy(EncryptionStrategy* strategy) {delete m_strategy;m_strategy = strategy;}QByteArray saveData(const QByteArray& data) {return m_strategy->encrypt(data);}QByteArray loadData(const QByteArray& encryptedData) {return m_strategy->decrypt(encryptedData);}private:EncryptionStrategy* m_strategy = new Base64Encoding();
};

九、組合模式（Composite）

作用：將對象組合成樹形結構以表示“部分-整體”的層次結構，使用戶對單個對象和組合對象的使用具有一致性。
典型場景：

  • 復雜UI界面的組件管理（如窗口包含多個面板，面板包含多個控件）。
  • 數據庫查詢條件的組合（如AND/OR邏輯組合多個查詢條件）。

示例代碼：

// 抽象組件：查詢條件
class QueryCondition {
public:virtual QString toSql() = 0;virtual ~QueryCondition() {}
};// 葉子節點：簡單條件
class SimpleCondition : public QueryCondition {
public:SimpleCondition(const QString& field, const QString& op, const QVariant& value): m_field(field), m_op(op), m_value(value) {}QString toSql() override {return QString("%1 %2 '%3'").arg(m_field, m_op, m_value.toString());}private:QString m_field;QString m_op;QVariant m_value;
};// 組合節點：復合條件
class CompositeCondition : public QueryCondition {
public:enum Logic { AND, OR };explicit CompositeCondition(Logic logic) : m_logic(logic) {}void addCondition(QueryCondition* condition) {m_conditions.append(condition);}QString toSql() override {if (m_conditions.isEmpty()) return "";QString sql = "(";for (int i = 0; i < m_conditions.size(); ++i) {sql += m_conditions[i]->toSql();if (i < m_conditions.size() - 1) {sql += (m_logic == AND) ? " AND " : " OR ";}}sql += ")";return sql;}private:Logic m_logic;QList<QueryCondition*> m_conditions;
};

總結：設計模式選擇指南

功能模塊推薦設計模式原因
數據庫操作MVC/MVVM、單例、命令、工廠分離數據與視圖，統一數據庫連接，支持批量操作和多數據庫適配
網絡通信單例、觀察者、狀態、策略全局唯一連接，監聽消息變化，管理連接狀態，動態切換協議
界面邏輯與顯示MVC/MVVM、觀察者、組合分離界面與數據，實現界面間通信，管理復雜UI結構
權限與緩存控制代理模式控制對資源的訪問，緩存頻繁請求的數據
配置與擴展性工廠、策略、抽象工廠根據配置動態創建對象，靈活切換算法或數據庫類型

建議：

  1. 優先使用Qt框架內置的模式（如MVC、信號槽），避免重復造輪子。
  2. 從簡單設計開始，僅在必要時引入模式（如復雜度增加、需求變更頻繁）。
  3. 結合UML圖設計架構，確保模式的合理應用，避免過度設計。

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