【第二节】C++设计模式(创建型模式)-抽象工厂模式

引言

一、抽象工厂模式概述

二、抽象工厂模式的应用

三、抽象工厂模式的适用场景

四、抽象工厂模式的优缺点

五、总结

引言

抽象工厂设计模式是一种创建型设计模式，旨在解决一系列相互依赖对象的创建问题。它与工厂方法模式密切相关，但在应用场景和实现方式上有显著区别。本文将通过理论讲解和代码示例，深入探讨抽象工厂模式的核心思想、适用场景及其优缺点。

一、抽象工厂模式概述

（1）核心思想

抽象工厂模式通过定义一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，将具体对象的创建工作封装到具体的工厂类中。它强调面向接口编程，支持多种变化需求，同时确保生成的对象的关联性和兼容性。

（2）与工厂方法模式的关系

工厂方法模式：解决单一对象的创建问题，通过子类化实现对象的创建。

抽象工厂模式：解决一系列相互依赖对象的创建问题，通过一个工厂类创建多个相关对象。

（3）主要解决的问题

避免直接使用 `new` 操作符导致的对象绑定问题。

支持多种变化需求（如多种数据库、多种产品系列）。

确保生成的对象的关联性和兼容性。

（4）数据库访问层示例

需求分析

在数据库访问层中，通常需要创建以下对象：

数据库连接（`IDbConnection`）

命令对象（`IDbCommand`）

数据读取器对象（`IDataReader`）

不同数据库（如 MySQL、SQL Server）需要不同的实现类。如果直接使用 `new` 关键字创建对象，会导致代码与具体数据库绑定，难以支持多种数据库。

面向接口编程

通过定义接口 `IDbConnection`、`IDbCommand` 和 `IDataReader`，实现面向接口编程。具体数据库的连接、命令和读取器类继承自这些接口，从而支持多种数据库的实现。

工厂方法模式的局限性

工厂方法模式可以解决单一对象的创建问题，但不适用于创建多个相互依赖的对象。例如，不同工厂可能创建不兼容的对象组合，导致错误。

二、抽象工厂模式的应用

（1）解决对象组合问题

抽象工厂模式将多个相互依赖对象的创建工作合并到一个工厂类中。通过一个工厂类创建所有相关对象，确保对象之间的兼容性。

（2）代码示例

以下是一个简单的抽象工厂模式实现示例，展示了如何创建一组相关对象。

Abstract Factory模式的核心价值在于通过抽象工厂接口将一组相关或依赖对象的创建过程统一封装到具体工厂类（ConcreteFactory）中。这种集中化的对象创建机制不仅符合单一职责原则，更重要的是通过消除分散的创建逻辑，显著降低了系统在对象实例化层面的维护复杂度，为产品族的扩展提供了规范的框架基础。

产品类定义

cpp 复制代码

// Product.h
#ifndef _PRODUCT_H_
#define _PRODUCT_H_

class AbstractProductA {
public:
    virtual ~AbstractProductA();
protected:
    AbstractProductA();
};

class AbstractProductB {
public:
    virtual ~AbstractProductB();
protected:
    AbstractProductB();
};

class ProductA1 : public AbstractProductA {
public:
    ProductA1();
    ~ProductA1();
};

class ProductA2 : public AbstractProductA {
public:
    ProductA2();
    ~ProductA2();
};

class ProductB1 : public AbstractProductB {
public:
    ProductB1();
    ~ProductB1();
};

class ProductB2 : public AbstractProductB {
public:
    ProductB2();
    ~ProductB2();
};

#endif // ~_PRODUCT_H_

工厂类定义

cpp 复制代码

// AbstractFactory.h
#ifndef _ABSTRACTFACTORY_H_
#define _ABSTRACTFACTORY_H_

class AbstractProductA;
class AbstractProductB;

class AbstractFactory {
public:
    virtual ~AbstractFactory();
    virtual AbstractProductA* CreateProductA() = 0;
    virtual AbstractProductB* CreateProductB() = 0;
protected:
    AbstractFactory();
};

class ConcreteFactory1 : public AbstractFactory {
public:
    ConcreteFactory1();
    ~ConcreteFactory1();
    AbstractProductA* CreateProductA();
    AbstractProductB* CreateProductB();
};

class ConcreteFactory2 : public AbstractFactory {
public:
    ConcreteFactory2();
    ~ConcreteFactory2();
    AbstractProductA* CreateProductA();
    AbstractProductB* CreateProductB();
};

#endif // ~_ABSTRACTFACTORY_H_

工厂类实现

cpp 复制代码

// AbstractFactory.cpp
#include "AbstractFactory.h"
#include "Product.h"
#include <iostream>
using namespace std;

AbstractFactory::AbstractFactory() {}
AbstractFactory::~AbstractFactory() {}

ConcreteFactory1::ConcreteFactory1() {}
ConcreteFactory1::~ConcreteFactory1() {}
AbstractProductA* ConcreteFactory1::CreateProductA() {
    return new ProductA1();
}
AbstractProductB* ConcreteFactory1::CreateProductB() {
    return new ProductB1();
}

ConcreteFactory2::ConcreteFactory2() {}
ConcreteFactory2::~ConcreteFactory2() {}
AbstractProductA* ConcreteFactory2::CreateProductA() {
    return new ProductA2();
}
AbstractProductB* ConcreteFactory2::CreateProductB() {
    return new ProductB2();
}

测试程序

cpp 复制代码

// main.cpp
#include "AbstractFactory.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
    AbstractFactory* cf1 = new ConcreteFactory1();
    cf1->CreateProductA();
    cf1->CreateProductB();

    AbstractFactory* cf2 = new ConcreteFactory2();
    cf2->CreateProductA();
    cf2->CreateProductB();

    return 0;
}

从实现层面来看，Abstract Factory模式通过具体工厂类（ConcreteFactory1）对产品对象的创建过程进行封装。在测试用例中可见，当需要构建一组相关联的产品对象（如ProductA1、ProductA2）时，客户端仅需依赖统一的工厂接口进行操作，而无需关注具体产品的实例化细节。这种设计不仅降低了代码的耦合度，更重要的是将原本分散在各处的对象创建逻辑集中管理，显著提升了系统的可维护性和扩展性。

在理解设计模式的过程中，区分Abstract Factory模式与Factory模式的概念差异是一个关键的学习点。本质上，Abstract Factory模式旨在为一系列具有关联性或依赖关系的对象族提供统一的创建接口，它关注的是产品家族的创建逻辑；而Factory模式则专注于单一类型对象的实例化过程，通过将对象的创建延迟到子类来实现扩展性，其核心是单一产品的创建机制。从实现角度来看，Abstract Factory模式通常以Factory模式为基础，通过具体工厂类（ConcreteFactory1）来实现对多个关联产品的协同创建，这种层次化的设计体现了模式间的组合应用。

三、抽象工厂模式的适用场景

（1）一系列相互依赖对象的创建

抽象工厂模式适用于需要创建一组相关对象的场景，例如：

数据库访问层中的连接、命令和读取器对象。

游戏开发中的不同等级怪物及其相关对象。

（2）支持多系列对象的需求变化

当需求变化时，抽象工厂模式可以轻松支持更多系列对象的创建工作，而无需修改现有代码。

四、抽象工厂模式的优缺点

优点

高内聚性：将相关对象的创建集中在一个工厂类中，提高代码的内聚性。

易于扩展：支持新增系列对象的创建，符合开闭原则。

降低耦合：通过面向接口编程，降低客户端与具体实现类的耦合。

缺点

难以应对新对象的需求变动：如果需要新增对象类型，可能需要修改抽象工厂接口及其所有实现类。

复杂性增加：随着系列对象的增多，工厂类的数量也会增加，导致系统复杂性上升。

五、总结

抽象工厂模式是一种强大的设计模式，适用于解决一系列相互依赖对象的创建问题。它通过面向接口编程和封装对象创建逻辑，提高了代码的灵活性和可维护性。然而，在面对新对象需求变动时，抽象工厂模式可能显得不够灵活。因此，在实际开发中，应根据具体需求选择合适的设计模式。