【C++设计模式】第二篇：工厂方法模式（Factory Method）

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

将对象创建延迟到子类，实现灵活扩展

1. 模式定义与用途

核心目标：定义一个创建对象的接口，但让子类决定实例化哪个类，实现解耦对象创建与使用。
常见场景：

• 日志系统（支持多种日志格式：文件、网络、控制台）
• 跨平台UI组件（不同操作系统下创建对应的按钮、窗口）
• 游戏角色生成（根据玩家等级创建不同属性的敌人）

2. 模式结构解析

• Product：定义对象的接口（如 ILogger）
• ConcreteProduct：具体实现类（如 FileLogger, NetworkLogger）
• Creator：声明工厂方法（如 createLogger()）
• ConcreteCreator：重写工厂方法，返回具体产品

3. 现代 C++ 实现示例：日志系统

3.1 基础实现

#include <iostream>
#include <memory>

// 产品接口
class ILogger {
public:
    virtual ~ILogger() = default;
    virtual void log(const std::string& message) = 0;
};

// 具体产品：文件日志
class FileLogger : public ILogger {
public:
    void log(const std::string& message) override {
        std::cout << "Writing to file: " << message << std::endl;
    }
};

// 具体产品：网络日志
class NetworkLogger : public ILogger {
public:
    void log(const std::string& message) override {
        std::cout << "Sending over network: " << message << std::endl;
    }
};

// 创建者基类
class LoggerCreator {
public:
    virtual ~LoggerCreator() = default;
    virtual std::unique_ptr<ILogger> createLogger() = 0;

    void useLogger(const std::string& message) {
        auto logger = createLogger();
        logger->log(message);
    }
};

// 具体创建者：文件日志工厂
class FileLoggerCreator : public LoggerCreator {
public:
    std::unique_ptr<ILogger> createLogger() override {
        return std::make_unique<FileLogger>();
    }
};

// 具体创建者：网络日志工厂
class NetworkLoggerCreator : public LoggerCreator {
public:
    std::unique_ptr<ILogger> createLogger() override {
        return std::make_unique<NetworkLogger>();
    }
};

int main() {
    FileLoggerCreator fileFactory;
    fileFactory.useLogger("User login succeeded.");

    NetworkLoggerCreator networkFactory;
    networkFactory.useLogger("API request timed out.");

    return 0;
}

代码解析：

• 通过 LoggerCreator 基类隔离客户端与具体日志类，新增日志类型只需添加 ConcreteCreator。
• 使用 std::unique_ptr 自动管理资源，避免内存泄漏。

3.2 支持运行时配置的增强实现

#include <map>
#include <functional>

// 日志类型枚举
enum class LoggerType { File, Network, Console };

// 全局工厂注册表（C++17 起支持 inline 静态成员初始化）
class LoggerFactory {
public:
    using CreatorFunc = std::function<std::unique_ptr<ILogger>()>;

    static void registerCreator(LoggerType type, CreatorFunc creator) {
        getRegistry()[type] = creator;
    }

    static std::unique_ptr<ILogger> create(LoggerType type) {
        auto it = getRegistry().find(type);
        if (it != getRegistry().end()) {
            return it->second();
        }
        throw std::invalid_argument("Unknown logger type");
    }

private:
    // 使用静态方法避免静态成员初始化顺序问题
    static std::map<LoggerType, CreatorFunc>& getRegistry() {
        static std::map<LoggerType, CreatorFunc> registry;
        return registry;
    }
};

// 注册具体创建函数（可在程序启动时调用）
void initLoggerFactory() {
    LoggerFactory::registerCreator(LoggerType::File, []() {
        return std::make_unique<FileLogger>();
    });
    LoggerFactory::registerCreator(LoggerType::Network, []() {
        return std::make_unique<NetworkLogger>();
    });
}

int main() {
    initLoggerFactory();
    auto fileLogger = LoggerFactory::create(LoggerType::File);
    fileLogger->log("System initialized.");

    return 0;
}

代码解析：

• 通过注册表实现运行时动态扩展，无需修改已有代码即可添加新日志类型。
• 结合 std::function 和 Lambda 表达式简化工厂方法绑定。

4. 应用场景示例：跨平台UI组件

// 产品接口：按钮
class IButton {
public:
    virtual void render() = 0;
    virtual ~IButton() = default;
};

// 具体产品：Windows 按钮
class WindowsButton : public IButton {
public:
    void render() override {
        std::cout << "Render a Windows-style button" << std::endl;
    }
};

// 具体产品：Linux 按钮
class LinuxButton : public IButton {
public:
    void render() override {
        std::cout << "Render a Linux-style button" << std::endl;
    }
};

// 创建者基类
class ButtonCreator {
public:
    virtual std::unique_ptr<IButton> createButton() = 0;
};

// 具体创建者
class WindowsButtonCreator : public ButtonCreator {
public:
    std::unique_ptr<IButton> createButton() override {
        return std::make_unique<WindowsButton>();
    }
};

class LinuxButtonCreator : public ButtonCreator {
public:
    std::unique_ptr<IButton> createButton() override {
        return std::make_unique<LinuxButton>();
    }
};

5. 工厂方法 vs 简单工厂 vs 抽象工厂

6. 优缺点分析

7. 调试与扩展技巧

• 验证多态行为： 在 VS2022 中设置断点，观察 createLogger() 返回的具体类型。
• 性能优化： 对高频创建的对象，可结合对象池（Object Pool）模式。
• 与依赖注入结合： 通过工厂实现依赖注入，提升代码可测试性。

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