工厂方法模式：从基础到C++实现
引言
在软件开发中，设计模式是解决常见问题的经过验证的方案。其中，工厂方法模式是一种创建型设计模式，广泛应用于需要动态创建对象的场景。本文将详细介绍工厂方法模式的核心概念、应用场景，并通过C++代码示例展示其具体实现。
核心概念
工厂方法模式通过将对象的创建委托给子类，提高了系统的灵活性和扩展性。以下是其核心概念：
抽象工厂接口
定义一个创建产品的抽象方法。例如：
class GuoYao {
public:virtual ~GuoYao() = default;virtual YongYong* createYongYong() = 0;
};
具体工厂类
实现抽象工厂接口，负责创建具体的产品实例。例如：
class CommonYongYongFactory : public GuoYao {
public:YongYong* createYongYong() override {return new CommonYongYong();}
};
抽象产品类
定义产品的接口，具体产品类实现该接口。例如：
class YongYong {
public:virtual ~YongYong() = default;virtual void attack() = 0;virtual void defense() = 0;
};
具体产品类
实现抽象产品类，提供具体功能。例如：
class CommonYongYong : public YongYong {
public:void attack() override {std::cout << "普通勇勇发起普通攻击。" << std::endl;}void defense() override {std::cout << "普通勇勇进行普通防御。" << std::endl;}
};class AdvancedYongYong : public YongYong {
public:void attack() override {std::cout << "高级勇勇发起强力攻击。" << std::endl;}void defense() override {std::cout << "高级勇勇进行高级防御。" << std::endl;}
};
结构与示例
示例：国遥创建勇勇
假设我们有一个游戏系统，其中有一个角色“勇勇”，而“国遥”是一个工厂，负责创建不同类型的“勇勇”角色。我们可以使用工厂方法模式来实现这个功能，从而动态地创建不同类型的“勇勇”角色。
步骤 1：定义抽象产品类
// 抽象产品类：勇勇角色
class YongYong {
public:virtual ~YongYong() = default;virtual void attack() = 0;virtual void defense() = 0;
};
步骤 2：实现具体产品类
// 具体产品类：普通勇勇
class CommonYongYong : public YongYong {
public:void attack() override {std::cout << "普通勇勇发起普通攻击。" << std::endl;}void defense() override {std::cout << "普通勇勇进行普通防御。" << std::endl;}
};// 具体产品类：高级勇勇
class AdvancedYongYong : public YongYong {
public:void attack() override {std::cout << "高级勇勇发起强力攻击。" << std::endl;}void defense() override {std::cout << "高级勇勇进行高级防御。" << std::endl;}
};
步骤 3：定义抽象工厂接口
// 抽象工厂接口：国遥工厂
class GuoYao {
public:virtual ~GuoYao() = default;virtual YongYong* createYongYong() = 0;
};
步骤 4：实现具体工厂类
// 具体工厂类：普通勇勇工厂
class CommonYongYongFactory : public GuoYao {
public:YongYong* createYongYong() override {return new CommonYongYong();}
};// 具体工厂类：高级勇勇工厂
class AdvancedYongYongFactory : public GuoYao {
public:YongYong* createYongYong() override {return new AdvancedYongYong();}
};
步骤 5：使用工厂方法模式
#include <iostream>int main() {// 创建工厂实例GuoYao* commonFactory = new CommonYongYongFactory();GuoYao* advancedFactory = new AdvancedYongYongFactory();// 使用工厂创建勇勇角色YongYong* commonYongYong = commonFactory->createYongYong();commonYongYong->attack(); // 输出: 普通勇勇发起普通攻击。commonYongYong->defense(); // 输出: 普通勇勇进行普通防御。delete commonYongYong;delete commonFactory;YongYong* advancedYongYong = advancedFactory->createYongYong();advancedYongYong->attack(); // 输出: 高级勇勇发起强力攻击。advancedYongYong->defense(); // 输出: 高级勇勇进行高级防御。delete advancedYongYong;delete advancedFactory;return 0;
}
代码解释
- 抽象产品类
YongYong：定义了勇勇角色的接口，包括attack和defense方法。 - 具体产品类
CommonYongYong和AdvancedYongYong：分别实现了普通勇勇和高级勇勇的角色，具有不同的攻击和防御行为。 - 抽象工厂接口
GuoYao：声明了创建勇勇角色的方法createYongYong。 - 具体工厂类
CommonYongYongFactory和AdvancedYongYongFactory：实现了createYongYong方法，分别返回普通勇勇和高级勇勇的实例。 - 客户端代码：创建具体的工厂实例，调用
createYongYong方法创建勇勇角色，并调用其方法执行攻击和防御动作。
优点
- 遵循开闭原则：当需要添加新的勇勇类型时，只需新增具体工厂类和具体产品类，无需修改现有代码。
- 隐藏创建细节：客户端代码只需关注工厂接口，无需了解具体勇勇角色的创建细节。
- 提高灵活性和扩展性：便于维护和升级系统，适应不同的需求变化。
C++标准库中的应用
C++标准库中有多处地方采用了工厂方法模式，以下是一些主要组件：
- 输入输出流库 (
<iostream>)
通过构造函数创建不同类型的流对象，如 std::ofstream 和 std::ifstream。
std::ofstream fout("output.txt");
std::ifstream fin("input.txt");
- 智能指针 (
<memory>)
通过工厂函数 std::make_unique 和 std::make_shared 创建智能指针。
std::unique_ptr<int> p1 = std::make_unique<int>(10);
std::shared_ptr<int> p2 = std::make_shared<int>(20);
- 容器类 (
<vector>,<list>, 等)
通过构造函数和成员函数动态管理容器内容。
std::vector<int> vec(5, 0);
vec.resize(10);
vec.emplace_back(100);
- 线程类 (
<thread>)
通过构造函数创建线程。
std::thread t(threadFunction);
t.join();
- 正则表达式类 (
<regex>)
通过构造函数创建正则表达式对象。
std::regex re("^[a-zA-Z]+$");
std::string str = "Hello";
std::regex_match(str, re);
总结
通过上述步骤和代码示例，我成功地实现了工厂方法模式，并将其应用于“国遥创建勇勇”的场景中。这个过程不仅加深了我对工厂方法模式的理解，也让我认识到在实际项目中合理应用设计模式的重要性。通过这种方式，我们可以设计出更加灵活和可扩展的系统，从而更好地应对需求的变化和扩展。
C++标准库中广泛使用工厂方法模式，这进一步证明了该模式在软件开发中的重要性和实用性。通过学习和应用工厂方法模式，我们可以提高代码的质量和系统的维护性，为开发更加 robust 和可扩展的软件打下坚实的基础。