设计模式-对象创建

前言

“对象创建”模式:
通过“对象创建” 模式绕开new，来避免对象创建（new）过程中所导致的紧耦合（依赖具体类），从而支持对象创建的稳定。它是接口抽象之后的第一步工作。

典型模式：

• Factory Method 工厂方法
• Abstract Factory 抽象工厂
• Prototype
• Builder

1. Factory Method

1.1 模式介绍

动机：在软件系统中，经常面临着创建对象的工作；由于需求的变化，需要创建的对象的具体类型经常变化。

如何应对这种变化？如何绕过常规的对象创建方法(new)，提供一种“封装机制”来避免客户程序和这种“具体对象创建工作”的紧耦合？

定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。Factory Method使得一个类的实例化延迟（目的：解耦，手段：虚函数）到子类。

——《设计模式》GoF

1.2 模式代码

1.2.1 问题代码

class ISplitter{public:virtual void split()=0;virtual ~ISplitter(){}};class BinarySplitter : public ISplitter{};class TxtSplitter: public ISplitter{};class PictureSplitter: public ISplitter{};class VideoSplitter: public ISplitter{};class MainForm : public Form
{TextBox* txtFilePath;TextBox* txtFileNumber;ProgressBar* progressBar;public:void Button1_Click(){ISplitter * splitter=new BinarySplitter();//依赖具体类splitter->split();}
};

你有一个按钮，点击按钮以后可以对二进制文件、文本文件、图片文件、视频文件进行分割，如果按照上述代码进行编写，其依赖具体类，如果你想增加其他文件格式方法时，得修改button里的方法，这会使得封装性被破坏

1.2.2 重构代码

//抽象类
class ISplitter{public:virtual void split()=0;virtual ~ISplitter(){}};//工厂基类
class SplitterFactory{
public:virtual ISplitter* CreateSplitter()=0;virtual ~SplitterFactory(){}
};//具体类
class BinarySplitter : public ISplitter{virtual void split(){}};class TxtSplitter: public ISplitter{virtual void split(){}
};class PictureSplitter: public ISplitter{virtual void split(){}
};class VideoSplitter: public ISplitter{virtual void split(){}
};//具体工厂
class BinarySplitterFactory: public SplitterFactory{
public:virtual ISplitter* CreateSplitter(){return new BinarySplitter();}
};class TxtSplitterFactory: public SplitterFactory{
public:virtual ISplitter* CreateSplitter(){return new TxtSplitter();}
};class PictureSplitterFactory: public SplitterFactory{
public:virtual ISplitter* CreateSplitter(){return new PictureSplitter();}
};class VideoSplitterFactory: public SplitterFactory{
public:virtual ISplitter* CreateSplitter(){return new VideoSplitter();}
};class MainForm : public Form
{SplitterFactory*  factory;//工厂public:MainForm(SplitterFactory*  factory){this->factory=factory;}void Button1_Click(){ISplitter * splitter=factory->CreateSplitter(); //多态newsplitter->split();}
};

解决方法：设计一个工厂基类，声明一个创建对象的接口，对象基础工厂基类，实现创建对象的方法，即可实现运行时绑定

1.3 模式类图

1.4 要点总结

• Factory Method模式用于隔离类对象的使用者和具体类型之间的耦合关系。面对一个经常变化的具体类型，紧耦合关系(new)会导致软件的脆弱。
• Factory Method模式通过面向对象的手法，将所要创建的具体对象工作延迟到子类，从而实现一种扩展（而非更改）的策略，较好地解决了这种紧耦合关系。
• Factory Method模式解决“单个对象”的需求变化。缺点在于要求创建方法/参数相同。

2. Abstract Factory

2.1 模式介绍

动机：在软件系统中，经常面临着“一系列相互依赖的对象”的创建工作；同时，由于需求的变化，往往存在更多系列对象的创建工作。

如何应对这种变化？如何绕过常规的对象创建方法(new)，提供一种“封装机制”来避免客户程序和这种“多系列具体对象创建工作”的紧耦合？

提供一个接口，让该接口负责创建一系列“相关或者相互依赖的对象”，无需指定它们具体的类。

——《设计模式》GoF

2.2 模式代码

抽象工厂是工厂方法模式的子集，当要创建的对象之间有关联时才使用抽象工厂

2.2.1 问题代码

假设现在要实现SQL处理的功能

问题代码1：直接将类型硬编码到功能里，如果有多种数据库，比如MySQL、Oracle等等，就会不利于扩展

class EmployeeDAO{public:vector<EmployeeDO> GetEmployees(){SqlConnection* connection =new SqlConnection();connection->ConnectionString = "...";SqlCommand* command =new SqlCommand();command->CommandText="...";command->SetConnection(connection);SqlDataReader* reader = command->ExecuteReader();while (reader->Read()){}}
};

问题代码2：在问题代码1的基础上，使用工厂方法解决依赖具体类问题

//数据库访问有关的基类
class IDBConnection{};
class IDBConnectionFactory{
public:virtual IDBConnection* CreateDBConnection()=0;
};class IDBCommand{};
class IDBCommandFactory{
public:virtual IDBCommand* CreateDBCommand()=0;
};class IDataReader{};
class IDataReaderFactory{
public:virtual IDataReader* CreateDataReader()=0;
};//支持SQL Server
class SqlConnection: public IDBConnection{};
class SqlConnectionFactory:public IDBConnectionFactory{};class SqlCommand: public IDBCommand{};
class SqlCommandFactory:public IDBCommandFactory{};class SqlDataReader: public IDataReader{};
class SqlDataReaderFactory:public IDataReaderFactory{};//支持Oracle
class OracleConnection: public IDBConnection{};class OracleCommand: public IDBCommand{};class OracleDataReader: public IDataReader{};class EmployeeDAO{IDBConnectionFactory* dbConnectionFactory;IDBCommandFactory* dbCommandFactory;IDataReaderFactory* dataReaderFactory;public:vector<EmployeeDO> GetEmployees(){IDBConnection* connection =dbConnectionFactory->CreateDBConnection();connection->ConnectionString("...");IDBCommand* command =dbCommandFactory->CreateDBCommand();command->CommandText("...");command->SetConnection(connection); //关联性IDBDataReader* reader = command->ExecuteReader(); //关联性while (reader->Read()){}}
};

如果传递的dbConnectionFactory、dbCommandFactory、dataReaderFactory不是同一系列的就会出问题，例如一部分是MySQL对象，一部分是Oracle对象

2.2.2 重构代码

//数据库访问有关的基类
class IDBConnection{};class IDBCommand{};class IDataReader{};class IDBFactory{
public:virtual IDBConnection* CreateDBConnection()=0;virtual IDBCommand* CreateDBCommand()=0;virtual IDataReader* CreateDataReader()=0;};//支持SQL Server
class SqlConnection: public IDBConnection{};
class SqlCommand: public IDBCommand{};
class SqlDataReader: public IDataReader{};class SqlDBFactory:public IDBFactory{
public:virtual IDBConnection* CreateDBConnection()=0;virtual IDBCommand* CreateDBCommand()=0;virtual IDataReader* CreateDataReader()=0;};//支持Oracle
class OracleConnection: public IDBConnection{};class OracleCommand: public IDBCommand{};class OracleDataReader: public IDataReader{};class EmployeeDAO{IDBFactory* dbFactory;public:vector<EmployeeDO> GetEmployees(){IDBConnection* connection =dbFactory->CreateDBConnection();connection->ConnectionString("...");IDBCommand* command =dbFactory->CreateDBCommand();command->CommandText("...");command->SetConnection(connection); //关联性IDBDataReader* reader = command->ExecuteReader(); //关联性while (reader->Read()){}}
};

将一系列方法封装在一起，这便是抽象工厂模式

2.3 模式类图

2.4 要点总结

• 如果没有应对“多系列对象构建”的需求变化，则没有必要使用Abstract Factory模式，这时候使用简单的工厂完全可以。
• “系列对象”指的是在某一特定系列下的对象之间有相互依赖、或作用的关系。不同系列的对象之间不能相互依赖。
• Abstract Factory模式主要在于应对“新系列”的需求变动。其缺点在于难以应对“新对象”的需求变动。

3. Prototype

3.1 模式介绍

原型是一种创建型设计模式，它允许您复制现有对象，而不使您的代码依赖于它们的类。

问题：
假设你有一个对象，你想创建它的一个精确副本。你会怎么做？首先，你必须创建一个相同类的新对象。然后你必须遍历原始对象的所有字段并将其值复制到新对象。

很好！但是有一个问题。并非所有对象都可以通过这种方式复制，因为某些对象的字段可能是私有的，从对象本身外部不可见。

直接方法还有一个问题。由于您必须知道对象的类才能创建副本，因此您的代码将依赖于该类。如果额外的依赖关系不吓到您，那么还有另一个问题。有时您只知道对象遵循的接口，但不知道其具体类，例如，当方法中的参数接受遵循某个接口的任何对象时。

3.2 模式代码

//抽象类
class ISplitter{
public:virtual void split()=0;virtual ISplitter* clone()=0; //通过克隆自己来创建对象virtual ~ISplitter(){}};//具体类
class BinarySplitter : public ISplitter{
public:virtual ISplitter* clone(){return new BinarySplitter(*this);}virtual void split(){}
};class TxtSplitter: public ISplitter{
public:virtual ISplitter* clone(){return new TxtSplitter(*this);}virtual void split(){}
};class PictureSplitter: public ISplitter{
public:virtual ISplitter* clone(){return new PictureSplitter(*this);}virtual void split(){}
};class VideoSplitter: public ISplitter{
public:virtual ISplitter* clone(){return new VideoSplitter(*this);}virtual void split(){}
};class MainForm : public Form
{ISplitter*  prototype;//原型对象public:MainForm(ISplitter*  prototype){this->prototype=prototype;}void Button1_Click(){ISplitter * splitter=prototype->clone(); //克隆原型splitter->split();}
};

3.3 模式类图

3.4 要点总结

• 您可以克隆对象而不与其具体类耦合。
• 您可以摆脱重复的初始化代码，转而克隆预先构建的原型。
• 您可以更加方便地制作复杂的物体。
• 处理复杂对象的配置预设时，您可以获得继承的替代方法。

4. Builder

4.1 模式介绍

动机：在软件系统中，有时候面临着“一个复杂对象”的创建工作，其通常由各个部分的子对象用一定的算法构成；由于需求的变化，这个复杂对象的各个部分经常面临着剧烈的变化，但是将它们组合在一起的算法却相对稳定。

如何应对这种变化？如何提供一种“封装机制”来隔离出“复杂对象的各个部分”的变化，从而保持系统中的“稳定构建算法”不随着需求改变而改变？

将一个复杂对象的构建与其表示相分离，使得同样的构建过程(稳定)可以创建不同的表示(变化)。

——《设计模式》GoF

4.2 模式代码

class House{//....
};class HouseBuilder {
public:House* GetResult(){return pHouse;}virtual ~HouseBuilder(){}
protected:House* pHouse;virtual void BuildPart1()=0;virtual void BuildPart2()=0;virtual void BuildPart3()=0;virtual void BuildPart4()=0;virtual void BuildPart5()=0;};class StoneHouse: public House{};class StoneHouseBuilder: public HouseBuilder{
protected:virtual void BuildPart1(){//pHouse->Part1 = ...;}virtual void BuildPart2(){}virtual void BuildPart3(){}virtual void BuildPart4(){}virtual void BuildPart5(){}};class HouseDirector{public:HouseBuilder* pHouseBuilder;HouseDirector(HouseBuilder* pHouseBuilder){this->pHouseBuilder=pHouseBuilder;}House* Construct(){pHouseBuilder->BuildPart1();for (int i = 0; i < 4; i++){pHouseBuilder->BuildPart2();}bool flag=pHouseBuilder->BuildPart3();if(flag){pHouseBuilder->BuildPart4();}pHouseBuilder->BuildPart5();return pHouseBuilder->GetResult();}
};

构建器HouseBuilder负责定义构建House时每个步骤的具体接口（变化）和管理正在构建的对象，由子类继承并实现接口；
HouseDirector负责实现House在构建时的整体流程(不变）

4.3 模式类图

4.4 要点总结

• Builder 模式主要用于“分步骤构建一个复杂的对象”。在这其中“分步骤”是一个稳定的算法，而复杂对象的各个部分则经常变化。
• 变化点在哪里，封装哪里—— Builder模式主要在于应对“复杂对象各个部分”的频繁需求变动。其缺点在于难以应对“分步骤构建算法”的需求变动。
• 在Builder模式中，要注意不同语言中构造器内调用虚函数的差别（C++ vs. C#) 。