面试题：C++纯虚函数在复杂设计模式中的应用及优化

1. 基于C++纯虚函数实现观察者模式

定义Subject类

#include <vector>
#include <memory>

class Observer;

class Subject {
public:
    virtual ~Subject() = default;
    // 纯虚函数，用于注册观察者
    virtual void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0;
    // 纯虚函数，用于移除观察者
    virtual void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) = 0;
    // 纯虚函数，用于通知所有观察者
    virtual void notify() = 0;
};

定义Observer类

class Subject;

class Observer {
public:
    virtual ~Observer() = default;
    // 纯虚函数，用于接收通知
    virtual void update(const Subject& subject) = 0;
};

具体Subject类实现

class ConcreteSubject : public Subject {
private:
    std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers;
public:
    void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {
        observers.push_back(observer);
    }
    void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {
        observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());
    }
    void notify() override {
        for (const auto& observer : observers) {
            observer->update(*this);
        }
    }
};

具体Observer类实现

class ConcreteObserver : public Observer {
public:
    void update(const Subject& subject) override {
        // 处理更新逻辑
    }
};

2. 处理动态添加和删除观察者

添加观察者：在Subject类中定义attach纯虚函数，具体Subject类实现此函数，将观察者添加到观察者列表。例如上述ConcreteSubject的attach函数。
删除观察者：在Subject类中定义detach纯虚函数，具体Subject类实现此函数，从观察者列表中移除指定观察者。如ConcreteSubject的detach函数。

3. 优化通知过程以避免性能瓶颈

批量通知：可以在Subject状态改变时，先记录改变，然后在合适时机（如事务结束）统一通知，减少频繁通知开销。
减少不必要通知：Subject内部记录状态变化标识，只有当状态真正变化时才通知观察者，避免无效通知。
异步通知：使用多线程或异步队列，将通知任务放入队列，由专门线程处理，避免阻塞主线程。

4. 多线程环境下保证线程安全

互斥锁：在Subject类中使用std::mutex保护观察者列表的修改和通知过程。例如在attach、detach和notify函数中加锁。

class ConcreteSubject : public Subject {
private:
    std::vector<std::shared_ptr<Observer>> observers;
    std::mutex observerMutex;
public:
    void attach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(observerMutex);
        observers.push_back(observer);
    }
    void detach(std::shared_ptr<Observer> observer) override {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(observerMutex);
        observers.erase(std::remove(observers.begin(), observers.end(), observer), observers.end());
    }
    void notify() override {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(observerMutex);
        for (const auto& observer : observers) {
            observer->update(*this);
        }
    }
};

读写锁：如果读操作（如notify）频繁，写操作（如attach和detach）较少，可以使用读写锁，读操作共享锁，写操作独占锁，提高并发性能。

5. 纯虚函数在这种复杂设计模式中的优势

抽象接口定义：明确规定了Subject和Observer必须实现的接口，保证了不同实现类之间的一致性和规范性。
多态性支持：使不同的Subject和Observer实现类能够通过统一接口交互，便于系统扩展和维护。
解耦依赖：Subject和Observer之间仅通过抽象接口依赖，降低了模块间耦合度。

6. 纯虚函数在这种复杂设计模式中的潜在问题

增加实现复杂度：每个具体类都必须实现纯虚函数，对于复杂逻辑可能导致实现代码量增加。
运行时错误风险：如果某个具体类没有正确实现纯虚函数，运行时会出现未定义行为，排查错误相对困难。
内存管理问题：在使用智能指针管理Subject和Observer对象时，如果纯虚函数的实现涉及到内存操作，可能会引发内存泄漏或悬空指针问题。

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面试题：C++纯虚函数在复杂设计模式中的应用及优化

知识考点

面试题答案

1. 基于C++纯虚函数实现观察者模式

2. 处理动态添加和删除观察者

3. 优化通知过程以避免性能瓶颈

4. 多线程环境下保证线程安全

5. 纯虚函数在这种复杂设计模式中的优势

6. 纯虚函数在这种复杂设计模式中的潜在问题