设计模式（2） - 创建型模式

青山渺渺2023-09-18 14:21

创建型模式指的是 创建对象 或是 获取实例 的方式。

1、工厂模式

平时写一些简单的代码可能会直接用 new 创建出一个对象，但是实际在阅读一些功能比较多、规模比较庞大的工程时，可能会发现有多个类继承于同一个基类的情况，它们拥有同样的接口但是实现了不同的功能。它们可能是可以互相替代的两套系统（例如 Android Media 中的 ACodec 和 CCodec），也有可能是多个不同功能的工具（例如 MediaExtractor 中不同的 extractor），创建这类对象时往往都用到了工厂模式。

这里的工厂模式我觉得是一个广义的概念，指的是在创建有具有相同特征（相同基类）的对象时不要硬编码（hard code），这样会在工程庞大之后变得难以维护，我们需要一种动态的创建方法，可以根据条件灵活创建具体的类。这里的创建方法并不仅仅指的是如下三种具体的工厂设计模式，也有可能是一个条件判断函数。

工厂模式的实现主要依赖的是多态的特性。

1.1、简单工厂模式

我们可以认为具有相同特征（相同基类）的对象可以由一个工厂生产，根据不同的要求，工厂可以生产不同的对象实例，这就是简单工厂模式。

以简单计算器为例，有加法和减法等等计算器类型，这时候我们就可以创建一个计算器工厂，根据传进的符号创建对应的计算器实例：

cpp 复制代码 
class Calculator {
public:
	virtual int calculate(int a, int b) = 0;
};

class AddCalculator : public Calculator {
public:
	int calculate(int a, int b) {
		return a + b;
	}
};

class SubCalculator : public Calculator {
public:
	int calculate(int a, int b) {
		return a - b;
	}
};

class CalculatorFactory {
public:
	static Calculator* createCalculator(const char c) {
		Calculator* cal = NULL;
		switch (c)
		{
		case '+':
			cal = new AddCalculator;
			break;
		case '-':
			cal = new SubCalculator;
			break;
		default:
			break;
		}
		return cal;
	}
};

int main() {
	Calculator* addCal = CalculatorFactory::createCalculator('+');
	printf("5 + 5 = %d\n", addCal->calculate(5, 5));
	Calculator* subCal = CalculatorFactory::createCalculator('-');
	printf("5 - 5 = %d\n", subCal->calculate(5, 5));
	delete addCal;
	delete subCal;
	return 0;
}

用简单工厂模式有什么好处呢？

  • 只要给工厂指定计算器类型，它就可以为我们创建出对应实例，创建实例的接口被统一，后期如果要修改对象类型，只需要修改传给工厂的参数即可；
  • 后期如何要增加新的计算器类型，我们只要修改工厂即可，使用方式仍旧可以保持统一。

1.2、工厂方法模式

简单工厂需要指定创建的实例类型，指定这个动作也可以看作为hard code的一种，有没有办法让工厂为我们自动选择创建的实例类型呢？工厂方法模式可以帮助我们完成自动选择的动作。

我们对上面简单计算器例子做一些修改：

cpp 复制代码 
class Calculator {
public:
	virtual int calculate(int a, int b) = 0;
};

class AddCalculator : public Calculator {
public:
	int calculate(int a, int b) {
		return a + b;
	}
};

class SubCalculator : public Calculator {
public:
	int calculate(int a, int b) {
		return a - b;
	}
};

class CalFactory {
public:
	virtual Calculator* createCalculator() = 0;
};

class AddCalFactory : public CalFactory {
public:
	Calculator* createCalculator() {
		return new AddCalculator;
	}
};

class SubCalFactory : public CalFactory {
public:
	Calculator* createCalculator() {
		return new SubCalculator;
	}
};

int main() {

	CalFactory *addFactory = new AddCalFactory;
	Calculator* addCal = addFactory->createCalculator();
	printf("5 + 5 = %d\n", addCal->calculate(5, 5));
	CalFactory *subFactory = new SubCalFactory;
	Calculator* subCal = subFactory->createCalculator();
	printf("5 - 5 = %d\n", subCal->calculate(5, 5));
	delete addCal;
	delete subCal;
	delete addFactory;
	delete subFactory;
	return 0;
}

例子中每一个 Calculator 类都有其对应的 CalFactory 工厂，想要创建需要的类型只要实例化对应的工厂就可以了。

我们在网上其他博客中看到的工厂方法模式一般到这里就结束了，这里就会有疑问了，自动选择是如何体现的呢？工厂方法模式相比简单工厂优点在哪里呢？

接下来以 Android MediaPlayerFactory 为例看一下工厂方法模式在实战中是如何使用的：

MediaPlayerFactory 中有一个 getPlayerType 方法，它会遍历每一个具体的 IFactory，调用它们的 scoreFactory 方法得到最优分数，得到最优工厂类型；然后再调用MediaPlayerFactory createPlayer 方法，用自动选择的工厂创建出实例（当然分数选择和实例化对象可以放到一个方法中）。

1.3、抽象工厂模式

抽象工厂和工厂方法类似，这里只做简单举例：

cpp 复制代码 
class Pencil {
public:
	Pencil(const char* factory) : mFactory(factory) {}
	virtual void write() = 0;
protected:
	const char* mFactory;
};

class RedPencil : public Pencil {
public:
	RedPencil(const char* factory) : Pencil(factory) {}
	void write() {
		printf("%s", mFactory);
		printf(" Red Pencil write\n");
	}
};

class BlackPencil : public Pencil {
public:
	BlackPencil(const char* factory) : Pencil(factory) {}
	void write() {
		printf("%s", mFactory);
		printf(" Black Pencil write\n");
	}
};

class Pen {
public:
	Pen(const char* factory) : mFactory(factory) {}
	virtual void write() = 0;
protected:
	const char* mFactory;
};

class RedPen : public Pen {
public:
	RedPen(const char* factory) : Pen(factory) {}
	void write() {
		printf("%s", mFactory);
		printf(" Red Pen write\n");
	}
};

class BlackPen : public Pen {
public:
	BlackPen(const char* factory) : Pen(factory) {}
	void write() {
		printf("%s", mFactory);
		printf(" Black Pen write\n");
	}
};


class Factory {
public:
	virtual Pencil* createPencil(int catgory) = 0;
	virtual Pen* createPen(int catgory) = 0;
};

class AppleFactory : public Factory {
public:
	virtual Pencil* createPencil(int catgory) {
		Pencil* p = NULL;
		switch (catgory)
		{
		case 1:
			p = new RedPencil("AppleFactory");
			break;
		case 2:
			p = new BlackPencil("AppleFactory");
			break;
		default:
			break;
		}
		return p;
	}
	virtual Pen* createPen(int catgory) {
		Pen* p = NULL;
		switch (catgory)
		{
		case 1:
			p = new RedPen("AppleFactory");
			break;
		case 2:
			p = new BlackPen("AppleFactory");
			break;
		default:
			break;
		}
		return p;
	}
};

class OrangeFactory : public Factory {
public:
	virtual Pencil* createPencil(int catgory) {
		Pencil* p = NULL;
		switch (catgory)
		{
		case 1:
			p = new RedPencil("OrangeFactory");
			break;
		case 2:
			p = new BlackPencil("OrangeFactory");
			break;
		default:
			break;
		}
		return p;
	}
	virtual Pen* createPen(int catgory) {
		Pen* p = NULL;
		switch (catgory)
		{
		case 1:
			p = new RedPen("OrangeFactory");
			break;
		case 2:
			p = new BlackPen("OrangeFactory");
			break;
		default:
			break;
		}
		return p;
	}
};

static Factory* createFactory(const char* factoryName) {
	Factory* factory = NULL;
	if (!memcmp(factoryName, "Apple", 5))
	{
		factory = new AppleFactory;
	}
	else if (!memcmp(factoryName, "Orange", 6)) {
		factory = new OrangeFactory;
	}
	return factory;
}

int main() {
	Factory* AppFac = createFactory("Apple");
	Pen* AppPen = AppFac->createPen(1);
	AppPen->write();
	Pencil* AppPencil = AppFac->createPencil(1);
	AppPencil->write();

	Factory* OraFac = createFactory("Orange");
	Pen* OraPen = OraFac->createPen(2);
	OraPen->write();
	Pencil* OraPencil = OraFac->createPencil(2);
	OraPencil->write();

	delete AppFac;
	delete AppPen;
	delete AppPencil;
	delete OraFac;
	delete OraPen;
	delete OraPencil;
}

2、建造者模式

cpp 复制代码 
class Builder;
class Computer {
protected:
	friend class Builder;
	void setBrand(std::string brand)	{ mBrand = brand; }
	void setCpu(std::string cpu)		{ mCpu = cpu; }
	void setGpu(std::string gpu)		{ mGpu = gpu; }
	void setPrice(int price)			{ mPrice = price; }
public:
	void print() {
		printf("%s \t %s \t %s \t %d\n", mBrand.c_str(), mCpu.c_str(), mGpu.c_str(), mPrice);
	}
private:
	std::string mBrand;
	std::string mCpu;
	std::string mGpu;
	int			mPrice;
};

class GrapeComputer : public Computer {
public:
	GrapeComputer() {
		setBrand("Grape");
		setGpu("RTX4080");
	}
};

class OrangeComputer : public Computer {
public:
	OrangeComputer() {
		setBrand("Orange");
	}
};

class Director;
class Builder {
protected:
	friend class Director;
	virtual void buildCpu(std::string cpu) { mComputer->setCpu(cpu); };
	virtual void buildGpu(std::string gpu) { mComputer->setGpu(gpu); };
	virtual void buildPrice(int price) { mComputer->setPrice(price); };
public:
	virtual Computer* build() {
		return mComputer;
	}
protected:
	Computer *mComputer;
};

class GrapeBuilder : public Builder
{
public:
	GrapeBuilder() {
		mComputer = new GrapeComputer();
	}
	virtual void buildGpu(std::string gpu) override { };
};

class OrangeBuilder : public Builder
{
public:
	OrangeBuilder() {
		mComputer = new OrangeComputer();
	}
};


class Director {
public:
	Director(Builder *builder) { mBuilder = builder; }
	Computer * construct(std::string cpu, std::string gpu, int price) {
		mBuilder->buildCpu(cpu);
		mBuilder->buildGpu(gpu);
		mBuilder->buildPrice(price);
		return mBuilder->build();
	}
private:
	Builder *mBuilder;
};

int main() {
	Builder *grapeBuilder = new GrapeBuilder;
	Director *directorA = new Director(grapeBuilder);
	Computer *grapeComputer = directorA->construct("core i7 13700k", "standard", 10999);
	grapeComputer->print();
	delete grapeBuilder;
	delete directorA;
	delete grapeComputer;

	Builder *orangeBuilder = new OrangeBuilder;
	Director *directorB = new Director(orangeBuilder);
	Computer *orangeComputer = directorB->construct("core i5 12400f", "RTX3060", 5999);
	orangeComputer->print();
	delete orangeBuilder;
	delete directorB;
	delete orangeComputer;
}

以上是我阅读网上内容后自己编写的示例，示例主要由 Director 和 Builder 两部分组成。我的理解 Director 就是调用者，不同的 Builder 用于处理不同事务/创建不同的对象。引用网上的分析：

在客户端代码中，无须关心产品对象的具体组装过程，只需确定具体建造者的类型即可，建造者模式将复杂对象的构建与对象的表现分离开来，这样使得同样的构建过程可以创建出不同的表现。

我没有在实战中看到过完全契合以上示例的建造者模式使用，只在

Android MediaCodecList.cpp中看到有类似的使用方法。

实例化 MediaCodecList 时会先调用 GetBuilders 获取 Codec2InfoBuilder 和 OmxInfoBuilder 实例，接着遍历调用他们的 buildMediaCodecList 方法，将所有的信息写到 MediaCodecListWriter 中。在这个示例中虽然没有具体的 Director，也没有返回具体的对象，只有不同的 Builder，但是我觉得和建造者模式的思想是一致的。

3、单例模式

单例模式比较简单，在我们不想重复构建一个对象的时候可以使用单例模式，例如 DataSourceFactory.cpp 和上面提到的 MediaCodecList.cpp 就是典型的单例模式：

cpp 复制代码 
struct MediaCodecList : public BnMediaCodecList {
	static sp<IMediaCodecList> getInstance();
private:
    static sp<IMediaCodecList> sCodecList;
    MediaCodecList(std::vector<MediaCodecListBuilderBase*> builders);
    MediaCodecList(const MediaCodecList&) = delete;
    MediaCodecList& operator=(const MediaCodecList&) = delete;
}

目前碰到的单例模式使用场景如下：

  • 加载并存储信息可供查询，使用单例模式可以避免多次信息加载(MediaCodecList)
  • 提供一系列方法可供使用，使用单例模式可以减少对象创建的开销(DataSourceFactory)。

唯一有一点要注意的，在获取对象实例时需要用锁保护，避免有同时调用getInstance 同时创建到对象的情况出现：

cpp 复制代码 
sp<DataSourceFactory> DataSourceFactory::getInstance() {
    Mutex::Autolock l(sInstanceLock);
    if (!sInstance) {
        sInstance = new DataSourceFactory();
    }
    return sInstance;
}
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