C++设计模式：抽象工厂模式（风格切换案例）

机器视觉知识推荐、就业指导2024-11-21 14:51

抽象工厂模式（Abstract Factory）是一种创建型设计模式 ，其核心思想是：为一组相关或相互依赖的对象提供一个创建接口，而无需指定它们具体的类。简单来说，就是一个工厂可以生产一系列相关的对象。

我们接下来通过逐步拆解、举例说明和详细代码注释来理解这个模式。

1. 什么是抽象工厂模式？

举个简单例子：

想象你是个游戏开发者，需要为游戏开发不同风格的用户界面（UI）。

  • 如果玩家在 Windows 上玩，游戏需要提供 Windows 风格的按钮、文本框。
  • 如果玩家在 Mac 上玩，则需要提供 Mac 风格的按钮、文本框。

这里的问题是：

  • 我们需要根据不同的操作系统 来生成一套成对的 UI 组件（按钮 + 文本框）。
  • 不同的 UI 组件风格相互独立，代码却不能依赖具体的组件实现。

解决这个问题的方案就是使用抽象工厂模式。它允许我们将"创建对象"的逻辑与对象的具体实现分离开。

2. 模式的核心要素

抽象工厂模式包含以下几部分：

  1. 抽象工厂：定义创建一系列对象的接口。
  2. 具体工厂：实现创建特定风格对象的工厂。
  3. 抽象产品：定义产品的公共接口（如按钮和文本框的接口）。
  4. 具体产品：特定风格的产品实现。
  5. 客户端：通过抽象工厂创建产品，而不关心具体产品的实现。

下面用代码一步步实现这个设计模式。

3. 详细代码实现与讲解

Step 1: 定义抽象产品

按钮和文本框是两种产品。我们需要定义它们的接口，让不同风格的具体产品实现这些接口。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <memory> // 用于智能指针

// 抽象产品 A: 按钮
class Button {
public:
    virtual void render() const = 0; // 渲染按钮
    virtual ~Button() = default;     // 虚析构，避免内存泄漏
};

// 抽象产品 B: 文本框
class TextBox {
public:
    virtual void render() const = 0; // 渲染文本框
    virtual ~TextBox() = default;
};

解释：

  • Button 和 TextBox 是两个抽象接口，定义了按钮和文本框的行为（render()方法）。
  • 使用抽象类的好处是，客户端代码可以依赖于接口，而不是具体的实现。
Step 2: 定义具体产品

实现两种风格（Windows 和 Mac）的具体按钮和文本框。

cpp 复制代码 
// 具体产品 A1: Windows 风格按钮
class WindowsButton : public Button {
public:
    void render() const override {
        std::cout << "Rendering Windows-style Button\n";
    }
};

// 具体产品 B1: Windows 风格文本框
class WindowsTextBox : public TextBox {
public:
    void render() const override {
        std::cout << "Rendering Windows-style TextBox\n";
    }
};

// 具体产品 A2: Mac 风格按钮
class MacButton : public Button {
public:
    void render() const override {
        std::cout << "Rendering Mac-style Button\n";
    }
};

// 具体产品 B2: Mac 风格文本框
class MacTextBox : public TextBox {
public:
    void render() const override {
        std::cout << "Rendering Mac-style TextBox\n";
    }
};

解释：

  • WindowsButton 和 MacButton 分别实现了 Button 接口。
  • WindowsTextBox 和 MacTextBox 分别实现了 TextBox 接口。
  • 每个具体类实现了它们特定风格的 render() 方法，输出不同的效果。
Step 3: 定义抽象工厂

工厂负责创建相关产品（按钮 + 文本框）。我们定义一个抽象工厂接口，声明创建按钮和文本框的方法。

cpp 复制代码 
// 抽象工厂：定义创建一组产品的方法
class GUIFactory {
public:
    virtual std::unique_ptr<Button> createButton() const = 0;   // 创建按钮
    virtual std::unique_ptr<TextBox> createTextBox() const = 0; // 创建文本框
    virtual ~GUIFactory() = default;
};

解释：

  • GUIFactory 是抽象工厂，定义了创建按钮和文本框的接口。
  • 返回值使用了 std::unique_ptr，可以自动管理对象生命周期，防止内存泄漏。
Step 4: 定义具体工厂

实现两个具体工厂，用于创建 Windows 和 Mac 风格的产品。

cpp 复制代码 
// 具体工厂 1: Windows 工厂
class WindowsFactory : public GUIFactory {
public:
    std::unique_ptr<Button> createButton() const override {
        return std::make_unique<WindowsButton>(); // 创建 Windows 按钮
    }

    std::unique_ptr<TextBox> createTextBox() const override {
        return std::make_unique<WindowsTextBox>(); // 创建 Windows 文本框
    }
};

// 具体工厂 2: Mac 工厂
class MacFactory : public GUIFactory {
public:
    std::unique_ptr<Button> createButton() const override {
        return std::make_unique<MacButton>(); // 创建 Mac 按钮
    }

    std::unique_ptr<TextBox> createTextBox() const override {
        return std::make_unique<MacTextBox>(); // 创建 Mac 文本框
    }
};

解释：

  • WindowsFactory 和 MacFactory 分别实现了 GUIFactory，负责生成各自风格的产品。
  • 每个工厂实现了 createButton() 和 createTextBox()。
Step 5: 编写客户端代码

客户端通过抽象工厂使用产品，而不关心具体实现。

cpp 复制代码 
// 客户端代码：通过工厂创建和使用产品
void renderUI(const GUIFactory& factory) {
    auto button = factory.createButton(); // 创建按钮
    auto textBox = factory.createTextBox(); // 创建文本框

    button->render(); // 渲染按钮
    textBox->render(); // 渲染文本框
}

int main() {
    std::cout << "Windows GUI:\n";
    WindowsFactory windowsFactory;
    renderUI(windowsFactory); // 使用 Windows 工厂

    std::cout << "\nMac GUI:\n";
    MacFactory macFactory;
    renderUI(macFactory); // 使用 Mac 工厂

    return 0;
}

解释：

  • renderUI 是客户端函数，通过 GUIFactory 创建产品。
  • 客户端无需关心具体工厂或产品的实现，只依赖于抽象接口。

4. 输出结果

运行上述代码，将输出以下结果：

Windows GUI:
Rendering Windows-style Button
Rendering Windows-style TextBox

Mac GUI:
Rendering Mac-style Button
Rendering Mac-style TextBox

5. 模式的优缺点

优点
  1. 分离具体类：客户端与具体产品的实现解耦。
  2. 确保产品一致性：某个具体工厂生产的所有产品风格一致。
  3. 易于扩展：可以新增工厂和产品系列，而无需修改客户端代码。
缺点
  1. 增加复杂性：需要定义多组接口和类，代码量较多。
  2. 扩展产品族困难：如果需要新增产品（比如菜单），需要修改所有工厂接口和实现。

总结

抽象工厂模式通过工厂接口屏蔽了具体产品的创建细节，使代码更加灵活和可扩展。它非常适合需要生成一组相关对象 且不希望客户端代码依赖于具体实现的场景。在实际开发中，抽象工厂模式广泛应用于跨平台工具、插件系统等领域。

完整代码实现

以下是抽象工厂模式的完整实现，并将所有输出改为中文形式，便于理解。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <memory> // 用于智能指针管理

// 抽象产品 A: 按钮
class Button {
public:
    virtual void render() const = 0; // 渲染按钮（纯虚函数）
    virtual ~Button() = default;     // 虚析构，防止内存泄漏
};

// 抽象产品 B: 文本框
class TextBox {
public:
    virtual void render() const = 0; // 渲染文本框（纯虚函数）
    virtual ~TextBox() = default;
};

// 具体产品 A1: Windows 风格按钮
class WindowsButton : public Button {
public:
    void render() const override {
        std::cout << "渲染 Windows 风格按钮" << "\n"; // 中文输出
    }
};

// 具体产品 B1: Windows 风格文本框
class WindowsTextBox : public TextBox {
public:
    void render() const override {
        std::cout << "渲染 Windows 风格文本框" << "\n"; // 中文输出
    }
};

// 具体产品 A2: Mac 风格按钮
class MacButton : public Button {
public:
    void render() const override {
        std::cout << "渲染 Mac 风格按钮" << "\n"; // 中文输出
    }
};

// 具体产品 B2: Mac 风格文本框
class MacTextBox : public TextBox {
public:
    void render() const override {
        std::cout << "渲染 Mac 风格文本框" << "\n"; // 中文输出
    }
};

// 抽象工厂：定义创建一组产品的方法
class GUIFactory {
public:
    virtual std::unique_ptr<Button> createButton() const = 0;   // 创建按钮
    virtual std::unique_ptr<TextBox> createTextBox() const = 0; // 创建文本框
    virtual ~GUIFactory() = default;
};

// 具体工厂 1: Windows 工厂
class WindowsFactory : public GUIFactory {
public:
    std::unique_ptr<Button> createButton() const override {
        return std::make_unique<WindowsButton>(); // 创建 Windows 按钮
    }

    std::unique_ptr<TextBox> createTextBox() const override {
        return std::make_unique<WindowsTextBox>(); // 创建 Windows 文本框
    }
};

// 具体工厂 2: Mac 工厂
class MacFactory : public GUIFactory {
public:
    std::unique_ptr<Button> createButton() const override {
        return std::make_unique<MacButton>(); // 创建 Mac 按钮
    }

    std::unique_ptr<TextBox> createTextBox() const override {
        return std::make_unique<MacTextBox>(); // 创建 Mac 文本框
    }
};

// 客户端代码：通过工厂创建和使用产品
void renderUI(const GUIFactory& factory) {
    // 使用工厂创建按钮和文本框
    auto button = factory.createButton(); // 创建按钮
    auto textBox = factory.createTextBox(); // 创建文本框

    // 渲染创建的产品
    button->render();
    textBox->render();
}

int main() {
    // 使用 Windows 工厂创建产品
    std::cout << "Windows 界面:" << "\n"; // 中文输出
    WindowsFactory windowsFactory;
    renderUI(windowsFactory);

    // 使用 Mac 工厂创建产品
    std::cout << "\nMac 界面:" << "\n"; // 中文输出
    MacFactory macFactory;
    renderUI(macFactory);

    return 0;
}

输出结果

运行该程序，输出如下：

Windows 界面:
渲染 Windows 风格按钮
渲染 Windows 风格文本框

Mac 界面:
渲染 Mac 风格按钮
渲染 Mac 风格文本框

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