命令模式（Command Pattern）是一種【行為型】設計模式，它將請求封裝為對象，從而使你可以用不同的請求對客戶端進行參數化，對請求排隊或記錄請求日志，以及支持可撤銷的操作。這種模式將發起請求的對象（客戶端）與執行請求的對象（接收者）解耦，通過命令對象作為中間層來協調兩者。

一、模式核心概念與結構

命令模式包含四個核心角色：

1. 命令接口（Command）：定義執行操作的接口，通常包含execute()方法。
2. 具體命令（Concrete Command）：實現命令接口，持有接收者的引用，并調用接收者的相應方法。
3. 接收者（Receiver）：知道如何執行與請求相關的操作，負責具體業務邏輯。
4. 調用者（Invoker）：持有命令對象并觸發執行，不直接與接收者交互。

二、C++ 實現示例：遙控器與家電控制

以下是一個經典的命令模式示例，演示如何用命令模式實現家電的遠程控制：

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <vector>// 接收者：家電
class Light {
public:void turnOn() { std::cout << "Light is on" << std::endl; }void turnOff() { std::cout << "Light is off" << std::endl; }
};class TV {
public:void turnOn() { std::cout << "TV is on" << std::endl; }void turnOff() { std::cout << "TV is off" << std::endl; }void setChannel(int channel) {std::cout << "TV channel set to " << channel << std::endl;}
};// 命令接口
class Command {
public:virtual ~Command() = default;virtual void execute() = 0;virtual void undo() = 0;  // 支持撤銷操作
};// 具體命令：開燈命令
class LightOnCommand : public Command {
private:std::shared_ptr<Light> light;public:LightOnCommand(std::shared_ptr<Light> l) : light(l) {}void execute() override {light->turnOn();}void undo() override {light->turnOff();}
};// 具體命令：關燈命令
class LightOffCommand : public Command {
private:std::shared_ptr<Light> light;public:LightOffCommand(std::shared_ptr<Light> l) : light(l) {}void execute() override {light->turnOff();}void undo() override {light->turnOn();}
};// 具體命令：電視命令
class TVOnCommand : public Command {
private:std::shared_ptr<TV> tv;public:TVOnCommand(std::shared_ptr<TV> t) : tv(t) {}void execute() override {tv->turnOn();tv->setChannel(1);  // 默認頻道}void undo() override {tv->turnOff();}
};// 調用者：遙控器
class RemoteControl {
private:std::shared_ptr<Command> onCommand;std::shared_ptr<Command> offCommand;std::vector<std::shared_ptr<Command>> history;  // 命令歷史，用于撤銷public:void setCommands(std::shared_ptr<Command> on, std::shared_ptr<Command> off) {onCommand = on;offCommand = off;}void pressOnButton() {if (onCommand) {onCommand->execute();history.push_back(onCommand);}}void pressOffButton() {if (offCommand) {offCommand->execute();history.push_back(offCommand);}}void pressUndoButton() {if (!history.empty()) {auto lastCommand = history.back();lastCommand->undo();history.pop_back();std::cout << "Undo last command" << std::endl;} else {std::cout << "Nothing to undo" << std::endl;}}
};// 客戶端代碼
int main() {// 創建接收者auto livingRoomLight = std::make_shared<Light>();auto tv = std::make_shared<TV>();// 創建具體命令auto lightOn = std::make_shared<LightOnCommand>(livingRoomLight);auto lightOff = std::make_shared<LightOffCommand>(livingRoomLight);auto tvOn = std::make_shared<TVOnCommand>(tv);// 創建調用者RemoteControl remote;// 設置命令remote.setCommands(lightOn, lightOff);// 使用遙控器std::cout << "=== Control Light ===" << std::endl;remote.pressOnButton();    // 開燈remote.pressOffButton();   // 關燈remote.pressUndoButton();  // 撤銷：重新開燈// 切換控制對象remote.setCommands(tvOn, lightOff);std::cout << "\n=== Control TV ===" << std::endl;remote.pressOnButton();    // 開電視remote.pressUndoButton();  // 撤銷：關電視return 0;
}

三、命令模式的關鍵特性

1. 請求封裝：
   • 將請求（操作）封裝為命令對象，使請求可以被存儲、傳遞和調用。
2. 解耦調用者和接收者：
   • 調用者（如遙控器）無需知道接收者（如家電）的具體實現，只需調用命令接口。
3. 支持撤銷和重做：
   • 通過在命令接口中定義undo()方法，可以實現操作的撤銷功能。
4. 隊列和日志：
   • 命令對象可以被序列化和存儲，支持請求的排隊、記錄和回放。

四、應用場景

1. 撤銷 / 重做系統：
   • 文本編輯器、圖形設計工具中的撤銷操作。
   • 數據庫事務的回滾機制。
2. 異步任務執行：
   • 線程池、消息隊列中的任務調度。
   • 網絡請求的異步處理。
3. 菜單和按鈕系統：
   • GUI 應用中的菜單項和按鈕操作。
   • 游戲中的動作命令（如攻擊、跳躍）。
4. 宏錄制：
   • 辦公軟件中的宏功能，記錄一系列操作并回放。
5. 分布式系統：
   • 遠程過程調用（RPC）中的命令傳遞。

五、命令模式與其他設計模式的關系

1. 備忘錄模式：
   • 命令模式實現操作的撤銷，備忘錄模式保存對象的狀態。
   • 兩者可結合使用，命令模式負責執行操作，備忘錄模式提供狀態恢復。
2. 觀察者模式：
   • 命令模式用于處理請求，觀察者模式用于事件通知。
   • 命令的執行可以觸發觀察者模式中的事件。
3. 責任鏈模式：
   • 命令模式將請求封裝為對象，責任鏈模式將請求傳遞給多個處理者。
   • 兩者可結合使用，責任鏈中的處理者可以是命令對象。

六、C++ 標準庫中的命令模式應用

1. 函數對象（Functor）：
   • std::function和函數指針可視為輕量級命令模式實現。
   • 例如，std::sort接受一個比較函數對象作為參數。
2. 線程池：
   • C++11 的std::thread和std::async可結合命令模式實現任務隊列。
3. 信號與槽機制：
   • Qt 框架中的信號與槽是命令模式的典型應用，信號觸發時執行槽函數。

七、優缺點分析

優點：

• 解耦調用者和接收者：降低系統耦合度，提高可維護性。
• 支持擴展性：易于添加新的命令類，符合開閉原則。
• 支持撤銷和日志：方便實現復雜的操作管理功能。

缺點：

• 類數量增加：每個具體命令都需要一個類，可能導致類膨脹。
• 實現復雜度：對于簡單操作，使用命令模式可能顯得冗余。
• 性能開銷：封裝請求為對象會引入額外的間接性，可能影響性能。

八、實戰案例：數據庫事務命令

以下是一個數據庫事務命令的實現示例，支持事務的提交和回滾：

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
#include <vector>
#include <stack>// 接收者：數據庫連接
class Database {
public:void executeQuery(const std::string& query) {std::cout << "Executing query: " << query << std::endl;// 實際執行SQL查詢...}void commit() {std::cout << "Committing transaction" << std::endl;// 提交事務...}void rollback() {std::cout << "Rolling back transaction" << std::endl;// 回滾事務...}
};// 命令接口
class Command {
public:virtual ~Command() = default;virtual void execute() = 0;virtual void undo() = 0;
};// 具體命令：SQL查詢命令
class QueryCommand : public Command {
private:std::shared_ptr<Database> database;std::string query;bool isTransactional;public:QueryCommand(std::shared_ptr<Database> db, const std::string& q, bool transactional = false): database(db), query(q), isTransactional(transactional) {}void execute() override {database->executeQuery(query);}void undo() override {if (isTransactional) {database->rollback();} else {std::cout << "Non-transactional query cannot be undone" << std::endl;}}
};// 具體命令：事務提交命令
class CommitCommand : public Command {
private:std::shared_ptr<Database> database;public:CommitCommand(std::shared_ptr<Database> db) : database(db) {}void execute() override {database->commit();}void undo() override {std::cout << "Commit cannot be undone" << std::endl;}
};// 調用者：事務管理器
class TransactionManager {
private:std::shared_ptr<Database> database;std::stack<std::shared_ptr<Command>> commandStack;  // 命令棧，用于撤銷public:TransactionManager(std::shared_ptr<Database> db) : database(db) {}void executeCommand(std::shared_ptr<Command> command) {command->execute();commandStack.push(command);}void commit() {auto commitCmd = std::make_shared<CommitCommand>(database);commitCmd->execute();commandStack.push(commitCmd);}void rollbackLastCommand() {if (!commandStack.empty()) {auto lastCommand = commandStack.top();lastCommand->undo();commandStack.pop();std::cout << "Rolled back last command" << std::endl;} else {std::cout << "No commands to roll back" << std::endl;}}
};// 客戶端代碼
int main() {// 創建數據庫連接auto db = std::make_shared<Database>();// 創建事務管理器TransactionManager txManager(db);// 執行一系列命令std::cout << "=== Executing commands ===" << std::endl;txManager.executeCommand(std::make_shared<QueryCommand>(db, "BEGIN TRANSACTION", true));txManager.executeCommand(std::make_shared<QueryCommand>(db, "INSERT INTO users VALUES ('Alice')"));txManager.executeCommand(std::make_shared<QueryCommand>(db, "INSERT INTO users VALUES ('Bob')"));// 回滾最后一條命令std::cout << "\n=== Rolling back last command ===" << std::endl;txManager.rollbackLastCommand();// 提交事務std::cout << "\n=== Committing transaction ===" << std::endl;txManager.commit();// 嘗試回滾提交操作（不可行）std::cout << "\n=== Trying to roll back commit ===" << std::endl;txManager.rollbackLastCommand();return 0;
}

九、實現注意事項

1. 撤銷機制設計：
   • 確保命令的undo()方法能正確恢復系統狀態。
   • 對于某些不可撤銷的操作（如刪除文件），undo()可記錄日志或提示用戶。
2. 命令參數化：
   • 命令可以設計為接受參數，使其更加靈活（如SetChannelCommand可接受頻道號）。
3. 宏命令（Composite Command）：
   • 可以創建包含多個命令的宏命令，實現批量操作。
4. 線程安全：
   • 在多線程環境中，命令的執行可能需要同步機制（如互斥鎖）。

命令模式是 C++ 中實現請求封裝和操作管理的重要工具，通過將請求轉化為對象，使系統更加靈活、可擴展，并支持復雜的功能如撤銷、隊列和日志。

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