C++设计模式：工厂方法模式
工厂方法模式是一种创建型设计模式，其核心是将对象的创建延迟到子类中，通过定义一个接口来创建对象，使得子类决定实例化哪一个类。它在需要扩展产品类型时特别有用，能够避免代码的重复和耦合。
工厂方法模式的核心概念
- 抽象产品（Product）
定义产品的接口，描述产品的公共行为。 - 具体产品（ConcreteProduct）
实现抽象产品接口，定义具体的产品功能。 - 抽象工厂（Creator/Factory）
定义一个工厂方法接口，用于创建产品对象。 - 具体工厂（ConcreteCreator/ConcreteFactory）
实现工厂方法，创建特定类型的产品对象。 - 客户端（Client）
通过工厂方法获取具体产品实例，而无需关心具体产品的实现细节。
案例背景：文档生成器
假设一个文档处理系统需要根据用户需求生成不同类型的文档（如 Word 文档和 PDF 文档）。我们希望通过工厂方法模式实现以下目标：
- 灵活扩展：添加新文档类型时，无需修改现有代码。
- 解耦逻辑：客户端代码不直接依赖具体文档类，而是通过工厂方法动态创建。
代码实现：文档生成器
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
// 抽象产品类：定义文档接口
class Document {
public:
virtual void open() const = 0; // 打开文档的接口方法
virtual ~Document() = default;
};
// 具体产品类：Word文档
class WordDocument : public Document {
public:
void open() const override {
std::cout << "打开Word文档。\n";
}
};
// 具体产品类：PDF文档
class PDFDocument : public Document {
public:
void open() const override {
std::cout << "打开PDF文档。\n";
}
};
// 抽象工厂类：定义文档工厂接口
class DocumentFactory {
public:
virtual std::unique_ptr<Document> createDocument() const = 0; // 工厂方法
virtual ~DocumentFactory() = default;
};
// 具体工厂类：Word文档工厂
class WordDocumentFactory : public DocumentFactory {
public:
std::unique_ptr<Document> createDocument() const override {
return std::make_unique<WordDocument>(); // 创建具体的Word文档对象
}
};
// 具体工厂类：PDF文档工厂
class PDFDocumentFactory : public DocumentFactory {
public:
std::unique_ptr<Document> createDocument() const override {
return std::make_unique<PDFDocument>(); // 创建具体的PDF文档对象
}
};
// 客户端代码：通过工厂方法创建文档
void clientCode(const DocumentFactory& factory) {
// 工厂方法生成文档实例
auto document = factory.createDocument();
document->open(); // 使用文档对象
}
int main() {
std::cout << "客户端使用Word文档工厂：\n";
WordDocumentFactory wordFactory;
clientCode(wordFactory);
std::cout << "\n客户端使用PDF文档工厂：\n";
PDFDocumentFactory pdfFactory;
clientCode(pdfFactory);
return 0;
}
代码解析
-
抽象产品（Document）
提供一个通用接口open，定义所有文档的公共行为。class Document { public: virtual void open() const = 0; virtual ~Document() = default; }; -
具体产品（WordDocument 和 PDFDocument）
分别实现Document接口，定义具体文档的行为。class WordDocument : public Document { public: void open() const override { std::cout << "打开Word文档。\n"; } }; -
抽象工厂（DocumentFactory）
定义一个接口createDocument，负责创建文档对象。class DocumentFactory { public: virtual std::unique_ptr<Document> createDocument() const = 0; virtual ~DocumentFactory() = default; }; -
具体工厂（WordDocumentFactory 和 PDFDocumentFactory）
分别实现抽象工厂接口，负责创建对应的文档对象。class WordDocumentFactory : public DocumentFactory { public: std::unique_ptr<Document> createDocument() const override { return std::make_unique<WordDocument>(); } }; -
客户端代码
客户端通过工厂方法获取具体的文档对象，完全解耦了具体产品的实现。void clientCode(const DocumentFactory& factory) { auto document = factory.createDocument(); document->open(); }
运行结果
客户端使用Word文档工厂：
打开Word文档。
客户端使用PDF文档工厂：
打开PDF文档。
优缺点分析
优点
- 解耦对象创建与使用：客户端无需关心对象如何创建，专注于使用。
- 扩展性强：新增产品类型时，只需添加新的具体工厂类和产品类，无需修改现有代码。
- 符合单一职责原则：将对象的创建逻辑独立到工厂类中，便于维护。
缺点
- 类数量增加：每新增一个产品类型，就需要增加一个具体工厂类，可能导致类数量膨胀。
- 复杂度增加：相比直接实例化对象，工厂方法模式引入了更多的抽象和类层次。
适用场景
- 系统需要灵活创建对象：如根据不同条件动态创建不同类型的对象。
- 对象创建逻辑复杂：如需要对创建过程进行封装，避免在客户端暴露创建细节。
- 需要扩展性：系统需要频繁增加新对象类型。
改进方向
结合C++现代特性（如 std::unique_ptr 和 std::make_unique），可以使代码更加安全、简洁，并减少内存管理的复杂性。同时，可以将工厂与配置文件、命令行参数等结合，进一步提升灵活性。
总结
工厂方法模式是一个经典的创建型设计模式，它通过定义工厂接口和具体工厂，将对象的创建逻辑与使用逻辑分离，使得系统具有更好的扩展性和灵活性。在C++中，通过利用抽象类、继承和智能指针，可以高效实现工厂方法模式，并确保资源管理的安全性和代码的可维护性。