【C++设计模式】第三篇：抽象工厂模式（Abstract Factory）

注意：复现代码时，确保 VS2022 使用 C++17/20 标准以支持现代特性。

构建相关对象族的统一接口，保障产品兼容性

1. 模式定义与用途

核心目标：提供一个接口，用于创建一系列相关或依赖对象，而无需指定它们的具体类。
常见场景：

• 跨平台UI系统（同时创建风格一致的按钮、窗口、滚动条）
• 数据库访问层（统一生成连接、命令、事务对象，支持多种数据库）
• 游戏资源加载（为不同画质模式创建匹配的材质、模型、音效）

2. 模式结构解析

• AbstractFactory：声明创建产品族的方法（如 createButton(), createWindow()）
• ConcreteFactory：实现具体产品族的创建（如 WindowsFactory, MacOSFactory）
• AbstractProduct：定义产品接口（如 IButton, IWindow）
• ConcreteProduct：实现具体产品（如 WindowsButton,MacOSWindow）

3. 现代 C++ 实现示例：跨平台UI组件

3.1 基础实现

#include <iostream>
#include <memory>

// 抽象产品：按钮
class IButton {
public:
    virtual ~IButton() = default;
    virtual void render() const = 0;
};

// 具体产品：Windows 按钮
class WindowsButton : public IButton {
public:
    void render() const override {
        std::cout << "[Windows] Flat-style button\n";
    }
};

// 具体产品：MacOS 按钮
class MacOSButton : public IButton {
public:
    void render() const override {
        std::cout << "[MacOS] Rounded button\n";
    }
};

// 抽象产品：窗口
class IWindow {
public:
    virtual ~IWindow() = default;
    virtual void draw() const = 0;
};

// 具体产品：Windows 窗口
class WindowsWindow : public IWindow {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "[Windows] Rectangular window with Aero effect\n";
    }
};

// 具体产品：MacOS 窗口
class MacOSWindow : public IWindow {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "[MacOS] Rounded corners window with traffic lights\n";
    }
};

// 抽象工厂
class UIFactory {
public:
    virtual ~UIFactory() = default;
    virtual std::unique_ptr<IButton> createButton() const = 0;
    virtual std::unique_ptr<IWindow> createWindow() const = 0;
};

// 具体工厂：Windows 风格
class WindowsUIFactory : public UIFactory {
public:
    std::unique_ptr<IButton> createButton() const override {
        return std::make_unique<WindowsButton>();
    }
    std::unique_ptr<IWindow> createWindow() const override {
        return std::make_unique<WindowsWindow>();
    }
};

// 具体工厂：MacOS 风格
class MacOSUIFactory : public UIFactory {
public:
    std::unique_ptr<IButton> createButton() const override {
        return std::make_unique<MacOSButton>();
    }
    std::unique_ptr<IWindow> createWindow() const override {
        return std::make_unique<MacOSWindow>();
    }
};

// 客户端：构建完整UI界面
void buildUI(const UIFactory& factory) {
    auto button = factory.createButton();
    auto window = factory.createWindow();
    
    window->draw();
    button->render();
}

int main() {
    WindowsUIFactory winFactory;
    buildUI(winFactory);  // 输出Windows风格组件

    MacOSUIFactory macFactory;
    buildUI(macFactory);  // 输出MacOS风格组件

    return 0;
}

代码解析：

• 工厂类（WindowsUIFactory/MacOSUIFactory）确保创建的按钮、窗口风格一致。
• 新增产品类型（如滚动条）只需扩展抽象工厂接口，无需修改已有客户端代码。

3.2 动态配置的多主题支持

#include <unordered_map>
#include <functional>

// 主题类型枚举
enum class ThemeType { Material, Neumorphism, PixelArt };

// 抽象工厂注册模板（C++17 特性）
template <typename T>
class ThemeFactoryRegistry {
public:
    using FactoryCreator = std::function<std::unique_ptr<T>()>;

    static void registerTheme(ThemeType type, FactoryCreator creator) {
        getRegistry()[type] = creator;
    }

    static std::unique_ptr<T> create(ThemeType type) {
        auto it = getRegistry().find(type);
        if (it != getRegistry().end()) {
            return it->second();
        }
        throw std::runtime_error("Unsupported theme type");
    }

private:
    static std::unordered_map<ThemeType, FactoryCreator>& getRegistry() {
        static std::unordered_map<ThemeType, FactoryCreator> registry;
        return registry;
    }
};

// 具体主题注册示例
class MaterialUIFactory : public UIFactory { /*...*/ };
class NeumorphismUIFactory : public UIFactory { /*...*/ };

void registerThemes() {
    ThemeFactoryRegistry<UIFactory>::registerTheme(
        ThemeType::Material, 
        [] { return std::make_unique<MaterialUIFactory>(); }
    );
    ThemeFactoryRegistry<UIFactory>::registerTheme(
        ThemeType::Neumorphism,
        [] { return std::make_unique<NeumorphismUIFactory>(); }
    );
}

// 运行时切换主题
void loadUserPreferredTheme() {
    auto factory = ThemeFactoryRegistry<UIFactory>::create(ThemeType::Neumorphism);
    buildUI(*factory);
}

代码解析：

• 利用模板和 std::function 实现主题动态注册，支持热切换。
• 结合配置文件可实现用户自定义主题的实时加载。

4. 应用场景示例：数据库访问抽象

// 抽象产品：数据库连接
class IDBConnection {
public:
    virtual void open() = 0;
    virtual void execute(const std::string& query) = 0;
};

// 抽象产品：数据库事务
class IDBTransaction {
public:
    virtual void begin() = 0;
    virtual void commit() = 0;
};

// 抽象工厂
class DBFactory {
public:
    virtual std::unique_ptr<IDBConnection> createConnection() = 0;
    virtual std::unique_ptr<IDBTransaction> createTransaction() = 0;
};

// MySQL 具体实现
class MySQLConnection : public IDBConnection { /*...*/ };
class MySQLTransaction : public IDBTransaction { /*...*/ };

class MySQLFactory : public DBFactory {
public:
    std::unique_ptr<IDBConnection> createConnection() override {
        return std::make_unique<MySQLConnection>();
    }
    std::unique_ptr<IDBTransaction> createTransaction() override {
        return std::make_unique<MySQLTransaction>();
    }
};

// PostgreSQL 具体实现
class PostgreSQLConnection : public IDBConnection { /*...*/ };
class PostgreSQLTransaction : public IDBTransaction { /*...*/ };

// 客户端代码保持与具体数据库解耦
void runDatabaseOperations(DBFactory& factory) {
    auto conn = factory.createConnection();
    auto txn = factory.createTransaction();
    
    conn->open();
    txn->begin();
    // ... 执行操作
    txn->commit();
}

5. 优缺点分析

6. 调试与优化策略

• 类型安全检查：使用 typeid 或 dynamic_cast 验证多态对象的实际类型。
• 性能监控：对高频创建的对象族，采用原型模式（Prototype）缓存实例。
• 跨平台测试：结合条件编译（#ifdef）验证不同工厂的行为一致性。

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