C++ 设计模式——抽象工厂模式

抽象工厂模式

抽象工厂模式提供一个接口，用于创建一系列相关或相互依赖的对象，而无需指定它们的具体类。它通常用于需要创建多个产品族的场景。

引入“抽象工厂模式”设计模式的定义（实现意图）：提供一个接口，让该接口负责创建一系列相关或者相互依赖的对象，而无须指定它们具体的类。

主要组成部分

• 抽象工厂（AbstractFactory）：定义创建抽象产品的接口。它声明了用于创建不同类型产品的方法。
• 具体工厂（ConcreteFactory）：实现抽象工厂接口，创建具体产品。每个具体工厂负责生成一组相关的具体产品。
• 抽象产品（AbstractProduct）：定义产品的接口。它为具体产品提供了一个公共的接口。
• 具体产品（ConcreteProduct）：实现抽象产品接口的具体类。每个具体产品对应于一个具体工厂。

代码实现

以下是使用抽象工厂模式创建不同类型的怪物对象的代码示例：

#include <iostream>
#include <string>using namespace std;// 怪物父类
class Monster {
public:Monster(int life, int magic, int attack) : m_life(life), m_magic(magic), m_attack(attack) {}virtual ~Monster() {} // 虚析构函数protected:int m_life;    // 生命值int m_magic;   // 魔法值int m_attack;  // 攻击力
};// 沼泽亡灵类怪物
class M_Undead_Swamp : public Monster {
public:M_Undead_Swamp(int life, int magic, int attack) : Monster(life, magic, attack) {cout << "一个沼泽的亡灵类怪物来到了这个世界" << endl;}
};// 沼泽元素类怪物
class M_Element_Swamp : public Monster {
public:M_Element_Swamp(int life, int magic, int attack) : Monster(life, magic, attack) {cout << "一个沼泽的元素类怪物来到了这个世界" << endl;}
};// 沼泽机械类怪物
class M_Mechanic_Swamp : public Monster {
public:M_Mechanic_Swamp(int life, int magic, int attack) : Monster(life, magic, attack) {cout << "一个沼泽的机械类怪物来到了这个世界" << endl;}
};// 山脉亡灵类怪物
class M_Undead_Mountain : public Monster {
public:M_Undead_Mountain(int life, int magic, int attack) : Monster(life, magic, attack) {cout << "一个山脉的亡灵类怪物来到了这个世界" << endl;}
};// 山脉元素类怪物
class M_Element_Mountain : public Monster {
public:M_Element_Mountain(int life, int magic, int attack) : Monster(life, magic, attack) {cout << "一个山脉的元素类怪物来到了这个世界" << endl;}
};// 山脉机械类怪物
class M_Mechanic_Mountain : public Monster {
public:M_Mechanic_Mountain(int life, int magic, int attack) : Monster(life, magic, attack) {cout << "一个山脉的机械类怪物来到了这个世界" << endl;}
};// 城镇亡灵类怪物
class M_Undead_Town : public Monster {
public:M_Undead_Town(int life, int magic, int attack) : Monster(life, magic, attack) {cout << "一个城镇的亡灵类怪物来到了这个世界" << endl;}
};// 城镇元素类怪物
class M_Element_Town : public Monster {
public:M_Element_Town(int life, int magic, int attack) : Monster(life, magic, attack) {cout << "一个城镇的元素类怪物来到了这个世界" << endl;}
};// 城镇机械类怪物
class M_Mechanic_Town : public Monster {
public:M_Mechanic_Town(int life, int magic, int attack) : Monster(life, magic, attack) {cout << "一个城镇的机械类怪物来到了这个世界" << endl;}
};// 所有工厂类的父类
class M_ParFactory {
public:virtual Monster* createMonster_Undead() = 0; // 创建亡灵类怪物virtual Monster* createMonster_Element() = 0; // 创建元素类怪物virtual Monster* createMonster_Mechanic() = 0; // 创建机械类怪物virtual ~M_ParFactory() {} // 虚析构函数
};// 沼泽地区的工厂
class M_Factory_Swamp : public M_ParFactory {
public:virtual Monster* createMonster_Undead() override {return new M_Undead_Swamp(300, 50, 120); // 创建沼泽亡灵类怪物}virtual Monster* createMonster_Element() override {return new M_Element_Swamp(200, 80, 110); // 创建沼泽元素类怪物}virtual Monster* createMonster_Mechanic() override {return new M_Mechanic_Swamp(400, 0, 90); // 创建沼泽机械类怪物}
};// 山脉地区的工厂
class M_Factory_Mountain : public M_ParFactory {
public:virtual Monster* createMonster_Undead() override {return new M_Undead_Mountain(300, 50, 80); // 创建山脉亡灵类怪物}virtual Monster* createMonster_Element() override {return new M_Element_Mountain(200, 80, 100); // 创建山脉元素类怪物}virtual Monster* createMonster_Mechanic() override {return new M_Mechanic_Mountain(600, 0, 110); // 创建山脉机械类怪物}
};// 城镇的工厂
class M_Factory_Town : public M_ParFactory {
public:virtual Monster* createMonster_Undead() override {return new M_Undead_Town(300, 50, 80); // 创建城镇亡灵类怪物}virtual Monster* createMonster_Element() override {return new M_Element_Town(200, 80, 100); // 创建城镇元素类怪物}virtual Monster* createMonster_Mechanic() override {return new M_Mechanic_Town(400, 0, 110); // 创建城镇机械类怪物}
};// 使用示例
int main() {M_ParFactory* factory = new M_Factory_Swamp();Monster* undead = factory->createMonster_Undead();Monster* element = factory->createMonster_Element();Monster* mechanic = factory->createMonster_Mechanic();// 释放内存delete undead;delete element;delete mechanic;delete factory;return 0;
}

抽象工厂模式模式的 UML 图

抽象工厂模式 UML 图解析

• 类与类之间的关系：
  • Monster 类是所有具体怪物类的父类，子类（如 M_Undead_Swamp、M_Element_Swamp、M_Mechanic_Swamp 等）通过实线箭头与父类连接，箭头指向 Monster 类，表示继承关系。
  • M_ParFactory 是抽象工厂类，定义了创建不同类型怪物的接口。具体工厂类（如 M_Factory_Swamp、M_Factory_Mountain、M_Factory_Town）通过实线箭头与 M_ParFactory 类连接，表示继承关系。
• 依赖关系：
  • 具体工厂类（如 M_Factory_Swamp 等）与具体怪物类（如 M_Undead_Swamp 等）之间存在虚线箭头，表示依赖关系。具体工厂类负责实例化具体怪物类的对象，箭头指向被实例化的类。
• 稳定与变化部分：
  • 稳定部分：Monster 类和 M_ParFactory 类是稳定部分，不需要频繁修改。
  • 变化部分：具体怪物类（如 M_Undead_Swamp、M_Element_Swamp 等）和具体工厂类（如 M_Factory_Swamp 等）属于变化部分。当需要添加新类型的怪物时，只需增加新的具体工厂类和具体怪物类，而不需要修改稳定部分。
• 扩展性：
  • 当需要引入新类型的怪物（如 M_Beast），只需创建一个新的具体工厂类（如 M_Factory_Beast）和对应的怪物类（如 M_Beast），而不需要更改现有的工厂接口。这符合开闭原则：对扩展开放，对修改关闭。
• 隐藏实现细节：
  • 如果 M_ParFactory 类及其具体实现由第三方开发，开发者只需通过抽象工厂接口与工厂交互，而无需了解具体的怪物类（如 M_Undead_Swamp 等），实现了对具体实现的隐藏。
• 接口扩展：
  • M_ParFactory 中的接口可以根据需要进行扩展，例如新增创建其他类型对象的方法（如 NPC），使得工厂能够支持更丰富的对象创建。

优点和缺点

优点：

• 解耦合：客户端代码与具体产品的实现解耦，便于维护和扩展。修改产品的实现不会影响到客户端。
• 一致性：可以确保一组产品的一致性，避免在创建产品时出现不匹配的情况。例如，创建一个特定类型的怪物时，工厂会确保所有相关的属性和行为都符合预期。
• 易于扩展：新增产品类型时，只需扩展工厂类和相应的产品类，而无需修改现有代码，符合开闭原则。
• 隔离变化：将产品的创建逻辑集中在工厂中，减少了产品类之间的依赖，便于管理和控制变化。

缺点：

• 系统复杂性增加：引入抽象工厂模式会增加系统的复杂性，特别是在产品种类较多时，工厂类和产品类的数量也会增加。
• 维护成本：随着产品族的增加，维护抽象工厂及其子类的成本可能会提升，特别是当需要对多个工厂进行修改时。
• 难以支持新产品：如果需要支持新类型的产品，可能需要修改现有的工厂接口和实现，这可能导致较大的代码变动。
• 运行时开销：由于使用了多层抽象，可能会引入一定的运行时开销，尤其是在频繁创建对象的场景中。

适用场景

• 产品族的创建：当系统需要创建一组相关或相互依赖的产品时，使用抽象工厂模式可以确保产品的一致性和完整性。
• 需要解耦的系统：当需要将产品的创建与使用分离，减少系统之间的耦合度时，抽象工厂模式是一个理想的选择。
• 需要支持多个产品变体：在需要支持不同变体的情况下，例如不同地区的怪物、不同类型的用户界面组件等，抽象工厂模式可以有效管理这些变体。
• 需要扩展产品类型：当系统需要频繁扩展新产品类型时，抽象工厂模式提供了良好的扩展机制，符合开闭原则。
• 框架设计：在设计框架或库时，抽象工厂模式可以为用户提供灵活的产品创建接口，用户可以根据需要实现具体的工厂类。