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从C++编程入手设计模式2——工厂模式

article 2025/6/4 11:35:33

从C++编程入手设计模式

工厂模式

我们马上就要迎来我们的第二个创建型设计模式：工厂方法模式（Factory Method Pattern）。换而言之，我们希望使用一个这样的接口，使用其他手段而不是直接创建的方式（说的有点奇怪，大致意思是——不是直接new，而是使用父子对象机制，给定一个判断条件让我们的工厂类选择创建具体的子类）

这是因为在软件开发中，直接在代码中使用 new 关键字创建对象会导致代码与具体类紧密耦合，降低了系统的灵活性和可扩展性。工厂方法模式通过引入工厂接口和具体工厂类，将对象的创建过程封装起来，使得客户端代码与具体产品类解耦，从而提高了系统的可维护性和可扩展性。

一个完整的工厂模式中存在四个基本的类。

抽象产品（Product）：定义产品的接口，是所有具体产品类的父类。
具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品接口的具体类，表示被创建的对象。
抽象工厂（Creator）：声明工厂方法 factoryMethod()，返回抽象产品类型的对象。
具体工厂（ConcreteCreator）：实现抽象工厂中的工厂方法，返回具体产品的实例。

很显然，抽象的产品和类是一个接口，我们所有的产品都需要满足这个接口，或者说，是属于这个产品类的对象，需要被对应的具体的工厂所创建。当然，对于小项目，笔者一般喜欢合并抽象工厂和具体工厂为工厂，这样的话直接对这工厂类发起对象创建请求即可。

C++实现的一些要点

使用抽象类和虚函数：通过定义抽象产品类和抽象工厂类，利用虚函数实现多态性，使得客户端代码可以通过基类指针或引用操作具体产品对象。
使用智能指针管理对象生命周期：为了避免内存泄漏，建议使用 std::unique_ptr 或 std::shared_ptr 管理动态分配的对象。
将对象创建逻辑封装在工厂类中：将具体产品类的实例化过程封装在具体工厂类中，客户端代码只需调用工厂方法获取产品对象，而无需关心具体的创建细节。

下面是一个非常经典的例子，但是不够好，体现不出来为什么工厂模式存在，但是绘景代码是如下的：

#include <iostream>
#include <memory>class Shape {
public:virtual void draw() = 0;virtual ~Shape() = default;
};class Circle : public Shape {
public:void draw() override {std::cout << "Drawing a Circle" << std::endl;}
};class Square : public Shape {
public:void draw() override {std::cout << "Drawing a Square" << std::endl;}
};class ShapeFactory {
public:virtual std::unique_ptr<Shape> createShape() = 0;virtual ~ShapeFactory() = default;
};class CircleFactory : public ShapeFactory {
public:std::unique_ptr<Shape> createShape() override {return std::make_unique<Circle>();}
};class SquareFactory : public ShapeFactory {
public:std::unique_ptr<Shape> createShape() override {return std::make_unique<Square>();}
};int main() {std::unique_ptr<ShapeFactory> circleFactory = std::make_unique<CircleFactory>();std::unique_ptr<Shape> circle = circleFactory->createShape(); // 是一个shapecircle->draw(); // 但是是circle，所以调用的就是circle的方法std::unique_ptr<ShapeFactory> squareFactory = std::make_unique<SquareFactory>();std::unique_ptr<Shape> square = squareFactory->createShape();square->draw();return 0;
}

一些你需要注意的事情

避免过度使用：在对象创建过程简单且不会发生变化的情况下，使用工厂方法模式可能会增加系统的复杂性，导致代码冗余。（换而言之，不要到处用这个东西，除非真需要了（大量相似对象的创建））
合理组织类结构：随着产品种类和工厂类的增加，类的数量也会增加，需要合理组织类结构，避免类爆炸。
结合其他设计模式使用：工厂方法模式可以与其他设计模式（如单例模式、抽象工厂模式）结合使用，以满足更复杂的系统需求。

例子：快餐连锁店的汉堡制作系统

背景：

您正在为一家快餐连锁店开发一个汉堡制作系统。不同的快餐品牌（如麦当劳和汉堡王）有各自的汉堡制作方式，包括使用的面包类型、配料和包装方式。

任务：

定义一个抽象基类 Burger，包含纯虚函数 grill()、prepare() 和 wrap()，以及成员变量如 name、bunType 和 condiments。
实现具体的汉堡类，如 McDonaldsCheeseBurger 和 BurgerKingCheeseBurger，分别继承自 Burger，并实现上述方法，输出相应的制作步骤。
创建一个抽象工厂类 BurgerJoint，包含纯虚函数 createBurger(const std::string& type)，用于创建不同类型的汉堡。
实现具体的工厂类，如 McDonalds 和 BurgerKing，继承自 BurgerJoint，根据传入的类型创建相应的汉堡实例。
在主函数中，模拟客户在不同快餐店点餐的过程，使用工厂类创建汉堡对象，并调用其制作方法。

这些要求你需要做到

使用 std::unique_ptr 管理对象生命周期。智能指针是一个好东西，多用用！
保持代码的可扩展性，方便将来添加新的快餐品牌或汉堡类型。

实现：modern-cpp-patterns-playground/FactoryBaseMethod/BurgerCreator at main · Charliechen114514/modern-cpp-patterns-playground

class AbstractBurger {
public:virtual void grill() = 0;virtual void prepare() = 0;virtual void wrap() = 0;virtual ~AbstractBurger() = default; /* this is required to the parent calss */
};

首先，咱们起手定义了一个抽象基类 AbstractBurger，其中包含了 grill()、prepare() 和 wrap() 三个纯虚函数，代表了制作汉堡的三个主要步骤。然后，我为麦当劳和汉堡王分别实现了具体的汉堡类，如 McBurger、McCheeseBurger、BurgerKingBurger 和 BurgerKingCheeseBurger，每个类都根据品牌和汉堡类型的不同，实现了各自的制作流程。

class BurgerProvider {
public:virtual std::unique_ptr<AbstractBurger> create_specifiedBurger(const std::string& specified_type) = 0;virtual ~BurgerProvider() = default;
};

为了创建这些汉堡对象，我定义了一个抽象工厂类 BurgerProvider，并为每个品牌实现了具体的工厂类 McBurgerProvider 和 BurgerKingProvider。这些工厂类根据传入的参数（如 “normal” 或 “cheese”）来决定创建哪种具体的汉堡对象。通过这种方式，客户端代码可以通过工厂类来创建所需的汉堡，而无需了解具体的实现细节，从而实现了对象创建的解耦。

习题

背景：

您正在开发一个通知发送系统，支持多种通知方式，如电子邮件（Email）、短信（SMS）和推送通知（Push Notification）。每种通知方式有其特定的发送逻辑和所需的参数。

任务：

定义一个抽象基类 Notification，包含纯虚函数 send(const std::string& message)。
实现具体的通知类，如 EmailNotification、SMSNotification 和 PushNotification，分别继承自 Notification，并实现发送逻辑。
创建一个工厂类 NotificationFactory，包含静态成员函数 createNotification(const std::string& type)，根据传入的类型创建相应的通知对象。
在主函数中，模拟发送不同类型通知的过程，使用工厂类创建通知对象，并调用其发送方法。

要求：

使用 std::unique_ptr 管理对象生命周期。
考虑每种通知方式所需的特定参数，并在创建对象时传入。
保持代码的可扩展性，方便将来添加新的通知方式。

笔者也有自己的实现：modern-cpp-patterns-playground/FactoryBaseMethod/NotificationSystem at main · Charliechen114514/modern-cpp-patterns-playground

从C++编程入手设计模式2——工厂模式