C++设计模式 之 “对象创建”模式：Factory Method、Abstract Factory、Prototype、Builder

part 0 “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
　　Abstract Factory
　　Prototype
　　Builder

 

Part 1 Factory Method 工厂方法

　　动机（Motivation）

　　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?

　　模式定义

　　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

　　UML

　　代码一 from 上图UML

struct Product {
    virtual void foo() = 0;
};

struct ConcreteProduct1 : public Product {
    virtual void foo() override {};
};

struct ConcreteProduct2 : public Product {
    virtual void foo() override {};
};

struct Creator {
    virtual Product* createProduct() = 0;
};

struct ConcreteCreator1 : public Creator {
    virtual Product* createProduct() {
        return new ConcreteProduct1();
    }
};

struct ConcreteCreator2 : public Creator {
    virtual Product* createProduct() {
        return new ConcreteProduct2();
    }
};

int main() {
    Creator *factory1 = new ConcreteCreator1();
    Product *product1 = factory1->createProduct();

    Creator *factory2 = new ConcreteCreator2();
    Product *product2 = factory2->createProduct();
}

 　　其实都是在使用一个C++的语法：子类的指针可以赋值给父类的指针。

　　代码二 from 《大话设计模式》

typedef int T;

struct Operation {
    virtual T getResult(T lhs, T rhs) = 0;
};

struct Addition : public Operation{
    virtual T getResult(T lhs, T rhs) override {
        return lhs + rhs;
    }
};

struct Factory {
    virtual Operation* createOperation() = 0;
};

struct AdditionFactory : public Factory{
    virtual Operation* createOperation() override {
        return new Addition();
    }
};

int main() {
    Factory *factory = new AdditionFactory();
    Operation *op = factory->createOperation();
                                                
    cout << op->getResult(1, 2);

    return 0;
}

　　如果第25行代码写成： Addition *op = factory->createOperation(); 编译器会报错：无法从 Operation* 转换为 Addition*。

 　　第25行的写法：Operation *op = factory->createOperation(); 类型实质是 Operation* 被类型 Operation* 赋值了。调用时 Operation* -> getResult() 可以是 Addition 类的 getResult()方法。

　　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。

 

part 2 Abstract Factory 抽象工厂

　　动机（Motivation）

　　#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？

　　模式定义

　　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

　　UML

　　代码一 from 《大话设计模式》

struct IUser {
    virtual void insert() = 0;
};

struct MysqlUser : public IUser {
    virtual void insert() { cout << "mysql数据库向user表插入数据的特有方法"<<endl; }
};

struct OracleUser : public IUser {
    virtual void insert() { cout << "oracle数据库向user表插入数据的特有方法*"<<endl; }
};

struct IOrder {
    virtual void insert() = 0;
};

struct MysqlOrder : public IOrder {
    virtual void insert() { cout << "mysql数据库向order表插入数据的特有方法" << endl; }
};

struct OracleOrder : public IOrder {
    virtual void insert() { cout << "oracle数据库向Order表插入数据的特有方法*" << endl; }
};

struct IFactory {
    virtual IUser* createUser() = 0; 
    virtual IOrder* createOrder() = 0;
};

struct MysqlFactory : public IFactory {
    virtual IUser* createUser() { return new MysqlUser(); }
    virtual IOrder* createOrder() { return new MysqlOrder(); }
};

struct OracleFactory : public IFactory {
    virtual IUser* createUser() { return new OracleUser(); }
    virtual IOrder* createOrder() { return new OracleOrder(); }
};

void main() {
    IFactory *factory = new MysqlFactory();
    IUser *table = factory->createUser();
    table->insert();

    IFactory *factory2 = new OracleFactory();
    IOrder *table2 = factory2->createOrder();
    table2->insert();
}

　　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。

 

part 3 Prototype 原型模式

　　动机（Motivation）

　　#在软件系统中，经常面临着“某些结构复杂的对象”的创建工作；由于需求的变化，这些对象经常面临着剧烈的变化，但是它们却拥有比较稳定一致的接口。
　　#如何应对这种变化？如何向“客户程序（使用这些对象的程序）”隔离出“这些易变对象” ，从而使得“依赖这些易变对象的客户程序”不随着需求改变而改变？

　　模式定义

　　使用原型实例指定创建对象的种类，然后通过拷贝这些原型来创建新的对象。——《设计模式》GoF

　　UML

　　要点总结

　　#Prototype模式同样用于隔离类对象的使用者和具体类型（易变类）之间的耦合关系，它同样要求这些“易变类”拥有“稳定的接口”。
　　#Prototype模式对于“如何创建易变类的实体对象”采用“原型克隆”的方法来做，它使得我们可以非常灵活地动态创建“拥有某些稳定接口”的新对象——所需工作仅仅是注册一个新类的对象（即原型），然后在任何需要的地方Clone。
　　#Prototype模式中的Clone方法可以利用某些框架中的序列化来实现深拷贝。

　　#适用于大对象重复创建（初始化）的场景，或者初始化过程复杂、步骤比较多的场景。使用原型模式后，可以多次拷贝“原型”作为对象的构造过程。这样可以节省系统开销，还可以减少程序的重复代码。

 

part 4 Builder 构建器

　　动机（Motivation）

　　#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？

　　模式定义

　　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

　　UML

　　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#) 。