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

1. 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。
2. 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。
3. 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：

1. 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");

2. 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);

3. 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);

4. 线程类 (<thread>)

通过构造函数创建线程。

std::thread t(threadFunction);
t.join();

5. 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。