设计模式 | 适配器模式

适配器模式（Adapter Pattern） 是结构型设计模式中的连接器大师，它允许不兼容接口的类能够协同工作。本文将深入探索适配器模式的核心思想、实现技巧以及在C++中的高效实践，解决现实开发中的接口兼容性问题。

为什么需要适配器模式

在软件开发中，我们经常遇到接口不兼容的情况：

  • 遗留系统与现代框架的集成

  • 第三方库与自有系统的对接

  • 不同子系统之间的数据交换

  • API升级导致的接口变更

直接修改已有代码通常不可行：

  • 第三方库无法修改

  • 旧系统代码难以重构

  • 新老系统需要并行运行

  • 修改可能引入新错误

适配器模式通过创建中间转换层解决了这些问题，成为系统集成的关键桥梁。

适配器模式的核心概念

模式结构解析

[客户端] --> [目标接口]↑[适配器] ---> [被适配者]

关键角色定义

  1. 目标接口（Target）

    • 客户端期望的接口

  2. 被适配者（Adaptee）

    • 需要适配的现有组件

  3. 适配器（Adapter）

    • 转换接口的中间件

    • 实现目标接口

    • 包装被适配者

C++实现：电源适配器系统

让我们通过电源适配器系统展示适配器模式的实际应用：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <cmath>
#include <iomanip>// ================ 目标接口：现代电源标准 ================
class ModernPowerOutlet {
public:virtual ~ModernPowerOutlet() = default;// 输出标准USB-C电源virtual void supplyPower() const = 0;// 获取电源规格virtual void getSpecs() const {std::cout << "标准: USB-C PD 3.1\n";std::cout << "电压: 5V-48V\n";std::cout << "功率: 最高240W\n";}
};// ================ 被适配者：旧式电源接口 ================
class LegacyPowerOutlet {
public:// 旧式交流电源输出void outputACPower(int voltage, int current) const {std::cout << "输出交流电: " << voltage << "V, " << current << "A\n";}// 获取旧式电源规格void showLegacySpecs() const {std::cout << "=== 旧式电源规格 ===\n";std::cout << "类型: 交流电\n";std::cout << "电压: 110V/220V\n";std::cout << "频率: 50/60Hz\n";}
};// ================ 类适配器（多重继承） ================
class PowerClassAdapter : public ModernPowerOutlet, private LegacyPowerOutlet {
public:void supplyPower() const override {std::cout << "转换交流到直流...\n";// 调用被适配者的方法outputACPower(220, 5); std::cout << "输出: USB-C 20V/5A (100W)\n";}void getSpecs() const override {ModernPowerOutlet::getSpecs();std::cout << "适配器类型: 类适配器\n";showLegacySpecs();}
};// ================ 对象适配器（组合方式） ================
class PowerObjectAdapter : public ModernPowerOutlet {
public:// 通过构造函数注入被适配对象explicit PowerObjectAdapter(LegacyPowerOutlet* outlet) : legacyOutlet_(outlet) {}void supplyPower() const override {std::cout << "转换交流到直流...\n";// 调用被适配者的方法legacyOutlet_->outputACPower(220, 5);std::cout << "输出: USB-C 20V/5A (100W)\n";}void getSpecs() const override {ModernPowerOutlet::getSpecs();std::cout << "适配器类型: 对象适配器\n";legacyOutlet_->showLegacySpecs();}private:LegacyPowerOutlet* legacyOutlet_;
};// ================ 客户端代码 ================
void chargeDevice(ModernPowerOutlet* outlet) {std::cout << "\n=== 开始充电 ===\n";outlet->getSpecs();outlet->supplyPower();std::cout << "设备充电中...\n";std::cout << "=== 充电完成 ===\n";
}int main() {// 创建被适配对象LegacyPowerOutlet legacyOutlet;// 使用类适配器std::cout << "===== 使用类适配器 =====\n";PowerClassAdapter classAdapter;chargeDevice(&classAdapter);// 使用对象适配器std::cout << "\n\n===== 使用对象适配器 =====\n";PowerObjectAdapter objectAdapter(&legacyOutlet);chargeDevice(&objectAdapter);return 0;
}

适配器模式的两种实现方式

1. 类适配器（继承方式）

class ClassAdapter : public Target, private Adaptee {
public:void request() override {// 转换并调用被适配者的方法specificRequest();}
};

特点：

  • 使用多重继承

  • 适配器继承目标接口和被适配者

  • 静态绑定，编译时确定

  • 可能违反单一职责原则

2. 对象适配器（组合方式）

class ObjectAdapter : public Target {
public:ObjectAdapter(Adaptee* adaptee) : adaptee_(adaptee) {}void request() override {// 转换并调用被适配者的方法adaptee_->specificRequest();}private:Adaptee* adaptee_;
};

特点：

  • 使用对象组合

  • 更灵活，支持运行时适配

  • 符合合成复用原则

  • 可以适配多个对象

  • 现代C++更推荐的方式

适配器模式的高级应用

1. 双向适配器

class BiDirectionalAdapter : public NewInterface, public OldInterface {
public:BiDirectionalAdapter(OldSystem* old, NewSystem* newSys) : oldSystem_(old), newSystem_(newSys) {}// 实现新接口void newMethod() override {oldSystem_->legacyMethod();}// 实现旧接口void legacyMethod() override {newSystem_->newMethod();}private:OldSystem* oldSystem_;NewSystem* newSystem_;
};

2. 参数适配器

class FunctionAdapter {
public:using NewSignature = void(int, double);explicit FunctionAdapter(std::function<void(std::string, float)> oldFunc): oldFunc_(oldFunc) {}void operator()(int a, double b) {// 转换参数并调用旧函数oldFunc_(std::to_string(a), static_cast<float>(b));}private:std::function<void(std::string, float)> oldFunc_;
};// 使用
void legacyPrint(std::string s, float f) {std::cout << s << " : " << f << "\n";
}int main() {FunctionAdapter adapter(legacyPrint);adapter(42, 3.14); // 自动转换参数类型
}

3. STL中的适配器

#include <vector>
#include <stack>
#include <queue>
#include <functional>// 容器适配器示例
std::stack<int> s;              // deque适配为栈
std::queue<double> q;           // deque适配为队列
std::priority_queue<int> pq;    // vector适配为优先队列// 函数对象适配器
auto negate = std::negate<int>();
auto plus10 = std::bind(std::plus<int>(), std::placeholders::_1, 10);
auto isEven = [](int x) { return x % 2 == 0; };
auto isOdd = std::not1(std::function<bool(int)>(isEven));

适配器模式的现实应用场景

1. 图形渲染接口适配

// OpenGL接口
class OpenGLRenderer {
public:void glClearColor(float r, float g, float b, float a) {std::cout << "OpenGL: 设置清除颜色 (" << r << ", " << g << ", " << b << ", " << a << ")\n";}// 其他OpenGL方法...
};// Vulkan接口适配器
class VulkanToOpenGLAdapter : public OpenGLRenderer {
public:void vkCmdClearColor(float r, float g, float b, float a) {// 将Vulkan命令转换为OpenGL调用glClearColor(r, g, b, a);}// 其他适配方法...
};

2. 支付系统集成

// 统一支付接口
class PaymentProcessor {
public:virtual void processPayment(double amount, const std::string& currency) = 0;
};// PayPal适配器
class PayPalAdapter : public PaymentProcessor {
public:PayPalAdapter(PayPalService* paypal) : paypal_(paypal) {}void processPayment(double amount, const std::string& currency) override {// 转换到PayPal要求的格式paypal_->sendPayment(amount * 100, currency + "_MICRO");}private:PayPalService* paypal_;
};// Stripe适配器
class StripeAdapter : public PaymentProcessor {
public:void processPayment(double amount, const std::string& currency) override {stripe::Charge::create({{"amount", static_cast<int>(amount * 100)},{"currency", currency}});}
};

3. 传感器数据标准化

// 统一传感器接口
class Sensor {
public:virtual double read() const = 0;virtual std::string getUnit() const = 0;
};// 温度传感器适配器
class TemperatureAdapter : public Sensor {
public:TemperatureAdapter(LegacyThermometer* thermo) : thermo_(thermo) {}double read() const override {// 华氏度转摄氏度return (thermo_->getFahrenheit() - 32) * 5/9;}std::string getUnit() const override {return "°C";}private:LegacyThermometer* thermo_;
};// 压力传感器适配器
class PressureAdapter : public Sensor {
public:PressureAdapter(BarometricSensor* sensor) : sensor_(sensor) {}double read() const override {// mmHg转hPareturn sensor_->getmmHg() * 1.33322;}std::string getUnit() const override {return "hPa";}private:BarometricSensor* sensor_;
};

适配器模式的五大优势

  1. 接口兼容性

    // 旧接口
void legacyPrint(int x, float y);// 新接口适配器
class PrinterAdapter {
public:void print(double a, double b) {legacyPrint(static_cast<int>(a), static_cast<float>(b));}
};

  2. 代码复用

    // 复用现有实现
class NewServiceAdapter : public NewServiceInterface {
public:NewServiceAdapter(OldService* service) : service_(service) {}void newMethod() override {service_->oldMethod(); // 复用旧实现}
};

  3. 解耦系统

    // 客户端只依赖抽象接口
void clientCode(DataProcessor* processor) {processor->process(data);
}// 适配不同实现
clientCode(new XMLProcessorAdapter(xmlParser));
clientCode(new JSONProcessorAdapter(jsonParser));

  4. 增量迁移

    // 逐步替换旧系统
class HybridSystem : public NewSystem {
public:HybridSystem(OldSystem* old) : oldAdapter_(old) {}void newOperation() override {if (useOldSystem) {oldAdapter_.legacyOperation();} else {NewSystem::newOperation();}}
};

  5. 多平台支持

    // 跨平台文件系统适配
class FileSystemAdapter {
public:#ifdef _WIN32WindowsFileSys winFS;#elif __APPLE__MacFileSys macFS;#elif __linux__LinuxFileSys linuxFS;#endifstd::string readFile(const std::string& path) {#ifdef _WIN32return winFS.readWinFile(path);#elif __APPLE__return macFS.readMacFile(path);// ...#endif}
};

适配器模式的最佳实践

1. 优先使用对象适配器

// 更灵活，支持运行时配置
class FlexibleAdapter : public Target {
public:FlexibleAdapter(Adaptee* adaptee) : adaptee_(adaptee) {}// 实现目标接口...private:Adaptee* adaptee_; // 组合优于继承
};

2. 使用智能指针管理资源

class SafeAdapter : public Target {
public:SafeAdapter(std::shared_ptr<Adaptee> adaptee) : adaptee_(std::move(adaptee)) {}// 实现目标接口...private:std::shared_ptr<Adaptee> adaptee_;
};// 使用
auto adaptee = std::make_shared<LegacyComponent>();
SafeAdapter adapter(adaptee);

3. 保持适配器轻量级

// 只包含必要的转换逻辑
class MinimalAdapter : public NewInterface {
public:MinimalAdapter(OldComponent* comp) : comp_(comp) {}void newMethod() override {// 只做必要转换comp_->oldMethod();}// 不实现不需要的方法
};

4. 适配器命名规范

// 清晰表达适配关系
class LegacyToModernAdapter   // 旧系统到新系统
class XMLToJSONAdapter       // XML到JSON转换
class FahrenheitToCelsiusAdapter // 温度单位转换
class PayPalPaymentAdapter   // PayPal支付适配

适配器模式与其他模式的关系

模式关系区别
装饰器模式都使用包装装饰器添加功能，适配器转换接口
外观模式都简化接口外观定义新接口，适配器复用现有接口
桥接模式都解耦抽象与实现桥接预先设计，适配器事后补救
代理模式都使用间接访问代理控制访问，适配器转换接口

组合使用示例：

// 适配器 + 工厂模式
class PaymentAdapterFactory {
public:static PaymentProcessor* createAdapter(PaymentType type) {switch (type) {case PAYPAL: return new PayPalAdapter(new PayPalService);case STRIPE: return new StripeAdapter;case CRYPTO: return new CryptoPaymentAdapter;default: throw std::invalid_argument("不支持的支付类型");}}
};// 客户端代码
auto processor = PaymentAdapterFactory::createAdapter(PAYPAL);
processor->processPayment(99.99, "USD");

应用案例

1. 数据库访问层适配

// 统一数据库接口
class Database {
public:virtual void execute(const std::string& query) = 0;
};// MySQL适配器
class MySQLAdapter : public Database {
public:MySQLAdapter(MySQLConn* conn) : conn_(conn) {}void execute(const std::string& query) override {conn_->mysql_exec(query.c_str());}
};// PostgreSQL适配器
class PostgresAdapter : public Database {
public:void execute(const std::string& query) override {PGresult* res = PQexec(conn_, query.c_str());// 处理结果...}
};// SQLite适配器
class SQLiteAdapter : public Database {
public:void execute(const std::string& query) override {sqlite3_exec(db_, query.c_str(), nullptr, nullptr, nullptr);}
};

2. 日志系统集成

// 统一日志接口
class Logger {
public:virtual void log(LogLevel level, const std::string& message) = 0;
};// Log4cpp适配器
class Log4cppAdapter : public Logger {
public:Log4cppAdapter(log4cpp::Category* cat) : category_(cat) {}void log(LogLevel level, const std::string& msg) override {switch (level) {case DEBUG: category_->debug(msg); break;case INFO: category_->info(msg); break;case WARN: category_->warn(msg); break;case ERROR: category_->error(msg); break;}}
};// Boost.Log适配器
class BoostLogAdapter : public Logger {
public:void log(LogLevel level, const std::string& msg) override {switch (level) {case DEBUG: BOOST_LOG_TRIVIAL(debug) << msg; break;case INFO: BOOST_LOG_TRIVIAL(info) << msg; break;case WARN: BOOST_LOG_TRIVIAL(warning) << msg; break;case ERROR: BOOST_LOG_TRIVIAL(error) << msg; break;}}
};

3. 跨平台UI框架

// 统一UI组件接口
class UIButton {
public:virtual void render(int x, int y, int width, int height) = 0;
};// Windows按钮适配器
class WinButtonAdapter : public UIButton {
public:void render(int x, int y, int w, int h) override {HWND button = CreateWindow("BUTTON", "Click", WS_VISIBLE | WS_CHILD,x, y, w, h, parent, NULL, NULL, NULL);}
};// macOS按钮适配器
class MacButtonAdapter : public UIButton {
public:void render(int x, int y, int w, int h) override {NSButton* button = [[NSButton alloc] initWithFrame:NSMakeRect(x, y, w, h)];[button setTitle:@"Click"];[parent addSubview:button];}
};// Linux按钮适配器
class LinuxButtonAdapter : public UIButton {
public:void render(int x, int y, int w, int h) override {GtkWidget* button = gtk_button_new_with_label("Click");gtk_fixed_put(GTK_FIXED(container), button, x, y);gtk_widget_set_size_request(button, w, h);}
};

适配器模式的挑战与解决方案

挑战解决方案
接口差异过大使用双向适配器或中间抽象层
适配器过多导致混乱使用工厂模式管理适配器创建
性能开销优化转换逻辑，缓存常用结果
链式适配问题避免多层嵌套，使用组合适配器

性能优化示例：

class CachingAdapter : public Target {
public:void request() override {if (!cached) {result = adaptee_->computeExpensiveOperation();cached = true;}// 使用缓存结果processResult(result);}
};

总结

适配器模式是解决接口不兼容问题的终极武器，它通过：

  1. 无缝集成：连接不兼容的接口

  2. 代码复用：利用现有实现

  3. 解耦系统：减少组件间依赖

  4. 增量演进：支持系统逐步迁移

  5. 标准化接口：统一多样化实现

使用时机：

  • 需要使用现有类但其接口不符合需求

  • 需要创建可复用的类与不相关类协同工作

  • 需要集成多个第三方库提供统一接口

  • 旧系统迁移过程中需要与新系统共存

"适配器模式不是修改齿轮的齿形，而是在齿轮间添加传动装置。它是面向对象设计中解决接口兼容问题的优雅方案。" - 设计模式实践者

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