2024-09-09

C++ 設計模式 - 橋接模式 Bridge Pattern

想像一下你家裡的電視遙控器，這個遙控器可以控制不同品牌的電視，遙控器本身的功能可能有：開機、關機、調整音量等，甚至隨著需求增加新的按鈕或功能。而電視的功能可能會隨著品牌或型號不同而有所變化。遙控器就像橋接這些不同電視的中介，讓使用者不必考慮每台電視內部的具體細節，只需要知道按下按鈕會有什麼效果。這樣的設計就是「橋接模式」的精髓：把「操作」與「具體實現」分開，讓兩者可以獨立發展。

什麼是橋接模式？

橋接模式是一種結構型設計模式，它的主要目的是將抽象部分與實現部分分離，使它們都可以獨立地變化。簡單來說這個模式可以讓你將「抽象層次」和「具體實作」分離開來，以便兩者可以各自演化而不必互相依賴。當你需要擴充系統時，無論是修改抽象部分還是實作部分，都能簡單且獨立進行。

在程式設計中，當你遇到一個類別因為實作過於複雜或多樣化而導致結構僵化時，你可以透過橋接模式將這些實作細節封裝到一個「實作介面」中，並讓抽象的類別持有該介面，從而達到靈活擴展的效果。橋接模式就像是在兩個獨立變化的維度之間搭建了一座橋樑。這座橋樑使得這兩個維度可以各自獨立地變化，而不會相互影響。

這個模式的基本角色包括：

抽象部分(Abstraction)：定義了抽象的介面。維護一個對實現者(Implementor)物件的引用。
精煉抽象(Refined Abstraction)：擴展抽象類，可以新增更多的功能。
實現者(Implementor)：定義實現類的介面，該介面不一定要與抽象類的介面完全一致。通常只提供基本操作，而抽象類定義的介面可能會做更多更複雜的操作。
具體實現(Concrete Implementor)：實現實現者介面並提供具體實現。

橋接模式在遊戲開發中的應用

橋接模式經常出現在需要靈活擴展功能的場景中。例如，在圖形繪製的應用中，我們可以有不同的形狀（比如圓形、方形），而每一種形狀可能需要用不同的方式呈現（比如螢幕顯示或列印）。在跨平台GUI系統中，不同作業系統有不同的實現方式。在資料庫程式中，可以切換不同的資料庫系統，對應到不同的資料庫介面，而不影響上層業務邏輯。

這邊我們以一個遊戲開發的例子來說明橋接模式。假設我們正在開發一個角色扮演遊戲，遊戲中有不同的角色(如戰士、法師)和不同的武器(如劍、法杖)。我們希望能夠自由地組合角色和武器，而不是為每種組合都建立一個新的類別。透過橋接模式，我們可以將「角色」與「武器」分開，未來當我們需要新增角色或武器方式時，就不必重新組合所有的類別，達到更好的擴展性。

以下是使用橋接模式實現這個需求的步驟：

首先我們定義武器的抽象介面，

// 抽象部分 Abstraction
class Weapon {
public:
    virtual void use() = 0;
    virtual ~Weapon() {}
};

然後我們實現具體的武器類別，

class Sword : public Weapon {
public:
    void use() override {
        std::cout << "揮舞劍攻擊" << std::endl;
    }
};

class Staff : public Weapon {
public:
    void use() override {
        std::cout << "使用法杖施法" << std::endl;
    }
};

接下來我們定義角色的抽象類別，

class Character {
protected:
    Weapon* weapon;
public:
    Character(Weapon* w) : weapon(w) {}
    virtual void fight() = 0;
    virtual ~Character() {}
};

最後我們實現具體的角色類別，

class Warrior : public Character {
public:
    Warrior(Weapon* w) : Character(w) {}
    void fight() override {
        std::cout << "戰士";
        weapon->use();
    }
};

class Mage : public Character {
public:
    Mage(Weapon* w) : Character(w) {}
    void fight() override {
        std::cout << "法師";
        weapon->use();
    }
};

我們可以在客戶端程式碼中自由組合角色和武器，

int main() {
    Weapon* sword = new Sword();
    Weapon* staff = new Staff();
    
    Character* warrior = new Warrior(sword);
    Character* mage = new Mage(staff);
    
    warrior->fight();  // 輸出: 戰士揮舞劍攻擊
    mage->fight();     // 輸出: 法師使用法杖施法
    
    // 甚至可以讓戰士使用法杖，或讓法師使用劍
    Character* warriorWithStaff = new Warrior(staff);
    Character* mageWithSword = new Mage(sword);
    
    warriorWithStaff->fight();  // 輸出: 戰士使用法杖施法
    mageWithSword->fight();     // 輸出: 法師揮舞劍攻擊
    
    // 釋放記憶體
    delete sword;
    delete staff;
    delete warrior;
    delete mage;
    delete warriorWithStaff;
    delete mageWithSword;
    
    return 0;
}

執行上述程式碼，我們會得到以下輸出：

戰士揮舞劍攻擊
法師使用法杖施法
戰士使用法杖施法
法師揮舞劍攻

在這個遊戲開發的例子中，就像是在角色（Character）和武器（Weapon）之間搭建一座「橋樑」。

橋的一端是抽象部分（Abstraction），這一端是由 Character 類別及其子類（Warrior 和 Mage）所組成。這代表了角色的抽象，定義了角色應該具有的行為（如 fight() 方法）。

橋的另一端是實現部分（Implementation），這一端是由 Weapon 介面及其具體實現（Sword 和 Staff）組成。這代表了武器的實現，定義了武器應該如何被使用（如 use() 方法）。

橋樑本身的核心是在 Character 類中的 Weapon* weapon 成員變數。這個成員變數將抽象部分（角色）和實現部分（武器）連接起來。

透過橋接模式，我們可以新增新的角色（如弓箭手）或新的武器（如弓箭），而不需要修改現有的程式碼，實現了角色和武器可以獨立變化。任何角色都可以使用任何武器，這種組合是在執行時決定的，而不是在編譯時。透過橋接模式還能減少類別數量，如果不使用橋接模式，我們可能需要為每種角色與武器組合建立一個類別（如 WarriorWithSword， MageWithStaff 等），這會導致類別數量的急劇增加。

所以這個橋接模式實際上是一種靈活的連接機制，它允許角色和武器這兩個維度獨立變化，同時又能靈活地組合在一起。這就是橋接模式的核心思想：將抽象部分與其實現部分分離，使它們都可以獨立地變化。

橋接模式的優缺點

橋接模式最大的優點在於它讓抽象與實作分離，因此可以靈活地新增或修改兩者中的任意一方，而不會影響到另一方。這種鬆耦合的設計使得系統的擴展性大大提高，特別是在面對複雜的物件結構或多樣化需求時，它能有效地減少程式碼重複，並且讓系統維護變得更加容易。

橋接模式也並非在所有情況下都是最佳選擇。當你的系統結構簡單、需求較為固定時，這種設計可能會增加不必要的複雜度。另外，由於引入了額外的抽象層，開發初期可能會需要更多的規劃和設計，這在某些情況下會稍微增加開發的難度。

總結

橋接模式特別適合那些需要同時處理多個維度變化的系統。它讓抽象和實作分離，使得系統可以更靈活地演進。在現實世界中，當你面對多重需求的擴展時，橋接模式能讓你輕鬆應對各種變化，避免系統變得難以維護或過於複雜。透過合理的使用橋接模式，你可以在保持系統簡潔的同時，獲得更大的靈活性與可擴展性。