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设计模式 | 抽象工厂模式

news 来源：原创 2025/6/26 9:22:09

抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern） 是创建型设计模式中的顶层设计，它提供了一种封装相关产品族创建过程的方式。本文将深入探索抽象工厂模式的核心思想、实现技巧以及在C++中的高效实践。

为什么需要抽象工厂模式？

在软件开发中，我们经常需要创建相互关联或依赖的对象集合：

GUI系统中的跨平台组件（按钮、菜单、对话框）
数据库访问中的连接、命令、适配器组合
游戏开发中的角色、武器、装备套装
跨操作系统的文件系统、网络协议、打印服务

直接实例化这些对象会导致：

客户端代码与具体实现紧耦合
产品组合逻辑分散在各处
切换产品族时需要大量修改代码
难以保证产品的兼容性

抽象工厂模式通过封装整个产品族的创建过程解决了这些问题。

抽象工厂模式的核心概念

模式结构解析

关键角色定义

抽象工厂（Abstract Factory）
- 声明创建产品对象的方法集合
- 每个方法对应一个产品类型
具体工厂（Concrete Factory）
- 实现抽象工厂的接口
- 创建特定产品族的具体产品
抽象产品（Abstract Product）
- 为产品类型声明接口
具体产品（Concrete Product）
- 实现抽象产品接口
- 属于特定产品族

C++实现：跨平台UI组件库

让我们实现一个跨平台的UI组件库，支持Windows和macOS两种风格：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>// ================= 抽象产品：UI组件 =================
class Button {
public:virtual void render() const = 0;virtual void onClick() const = 0;virtual ~Button() = default;
};class Checkbox {
public:virtual void render() const = 0;virtual void onCheck() const = 0;virtual ~Checkbox() = default;
};class TextField {
public:virtual void render() const = 0;virtual void onInput(const std::string& text) const = 0;virtual ~TextField() = default;
};// ================= 具体产品：Windows风格 =================
class WindowsButton : public Button {
public:void render() const override {std::cout << "渲染Windows风格按钮\n";}void onClick() const override {std::cout << "Windows按钮点击事件处理\n";}
};class WindowsCheckbox : public Checkbox {
public:void render() const override {std::cout << "渲染Windows风格复选框\n";}void onCheck() const override {std::cout << "Windows复选框状态变更\n";}
};class WindowsTextField : public TextField {
public:void render() const override {std::cout << "渲染Windows风格文本框\n";}void onInput(const std::string& text) const override {std::cout << "Windows文本框输入: " << text << "\n";}
};// ================= 具体产品：macOS风格 =================
class MacButton : public Button {
public:void render() const override {std::cout << "渲染macOS风格按钮\n";}void onClick() const override {std::cout << "macOS按钮点击事件处理\n";}
};class MacCheckbox : public Checkbox {
public:void render() const override {std::cout << "渲染macOS风格复选框\n";}void onCheck() const override {std::cout << "macOS复选框状态变更\n";}
};class MacTextField : public TextField {
public:void render() const override {std::cout << "渲染macOS风格文本框\n";}void onInput(const std::string& text) const override {std::cout << "macOS文本框输入: " << text << "\n";}
};// ================= 抽象工厂接口 =================
class UIFactory {
public:virtual std::unique_ptr<Button> createButton() const = 0;virtual std::unique_ptr<Checkbox> createCheckbox() const = 0;virtual std::unique_ptr<TextField> createTextField() const = 0;virtual ~UIFactory() = default;
};// ================= 具体工厂：Windows风格 =================
class WindowsUIFactory : public UIFactory {
public:std::unique_ptr<Button> createButton() const override {return std::make_unique<WindowsButton>();}std::unique_ptr<Checkbox> createCheckbox() const override {return std::make_unique<WindowsCheckbox>();}std::unique_ptr<TextField> createTextField() const override {return std::make_unique<WindowsTextField>();}
};// ================= 具体工厂：macOS风格 =================
class MacUIFactory : public UIFactory {
public:std::unique_ptr<Button> createButton() const override {return std::make_unique<MacButton>();}std::unique_ptr<Checkbox> createCheckbox() const override {return std::make_unique<MacCheckbox>();}std::unique_ptr<TextField> createTextField() const override {return std::make_unique<MacTextField>();}
};// ================= 客户端代码 =================
class Application {
public:Application(std::unique_ptr<UIFactory> factory) : factory_(std::move(factory)) {}void createUI() {button_ = factory_->createButton();checkbox_ = factory_->createCheckbox();textField_ = factory_->createTextField();}void renderUI() const {button_->render();checkbox_->render();textField_->render();}void simulateUserInteraction() const {button_->onClick();checkbox_->onCheck();textField_->onInput("Hello, Abstract Factory!");}private:std::unique_ptr<UIFactory> factory_;std::unique_ptr<Button> button_;std::unique_ptr<Checkbox> checkbox_;std::unique_ptr<TextField> textField_;
};// ================= 工厂选择器 =================
std::unique_ptr<UIFactory> createUIFactory(const std::string& osType) {if (osType == "Windows") {return std::make_unique<WindowsUIFactory>();} else if (osType == "macOS") {return std::make_unique<MacUIFactory>();}throw std::runtime_error("不支持的平台类型");
}int main() {// 根据运行平台创建工厂auto factory = createUIFactory("macOS"); // 切换为"Windows"测试不同平台// 创建应用Application app(std::move(factory));app.createUI();// 渲染UIstd::cout << "\n=== 渲染用户界面 ===\n";app.renderUI();// 模拟用户交互std::cout << "\n=== 用户交互模拟 ===\n";app.simulateUserInteraction();return 0;
}

抽象工厂模式的优势分析

产品兼容性保证

// Windows组件完美协同工作
auto winFactory = std::make_unique<WindowsUIFactory>();
auto winButton = winFactory->createButton();
auto winText = winFactory->createTextField();
// 不会出现macOS按钮与Windows文本框混用的情况

平台无关代码

// 客户端代码只依赖抽象接口
class Client {
public:Client(UIFactory& factory) {auto button = factory.createButton();button->render();}
};

配置灵活性

// 运行时切换产品族
void switchTheme(UIFactory& newFactory) {auto newButton = newFactory.createButton();auto newCheckbox = newFactory.createCheckbox();// 无缝切换整个UI风格
}

单一职责原则

// 创建逻辑集中在工厂类
class WindowsUIFactory {// 所有Windows组件的创建逻辑集中在此
};

高级应用场景与技巧

1. 动态产品族扩展

// 支持新的Linux主题
class LinuxButton : public Button { /*...*/ };
class LinuxCheckbox : public Checkbox { /*...*/ };
class LinuxTextField : public TextField { /*...*/ };class LinuxUIFactory : public UIFactory {std::unique_ptr<Button> createButton() const override {return std::make_unique<LinuxButton>();}// 其他方法类似...
};// 更新工厂选择器
std::unique_ptr<UIFactory> createUIFactory(const std::string& osType) {if (osType == "Linux") {return std::make_unique<LinuxUIFactory>();}// 原有逻辑...
}

2. 混合工厂模式

// 抽象工厂 + 工厂方法
class ThemeFactory : public UIFactory {
public:virtual std::unique_ptr<Button> createButton() const = 0;std::unique_ptr<Checkbox> createCheckbox() const override {return createSpecificCheckbox();}protected:virtual std::unique_ptr<Checkbox> createSpecificCheckbox() const = 0;
};class DarkThemeFactory : public ThemeFactory {
public:std::unique_ptr<Button> createButton() const override { /*...*/ }
protected:std::unique_ptr<Checkbox> createSpecificCheckbox() const override { /*...*/ }
};

3. 产品族验证

class UIFactory {
public:// 创建方法...virtual bool validateCompatibility() const {auto button = createButton();auto textField = createTextField();// 执行兼容性检查return button->version() == textField->requiredVersion();}
};

抽象工厂模式的挑战与解决方案

挑战	解决方案
添加新产品类型	修改抽象工厂和所有具体工厂（违反开闭原则）
产品族扩展困难	使用工厂方法作为补充，或定义更通用的产品接口
运行时产品切换	引入工厂选择器或配置对象
依赖管理复杂	结合依赖注入框架（如Google Fruit、Boost.DI）

依赖注入示例：

// 使用依赖注入容器
fruit::Injector<UIFactory> injector(getUIFactoryComponent);
auto factory = injector.get<UIFactory*>();// 创建应用
Application app(factory);

与其他创建型模式的关系

抽象工厂 vs 工厂方法
- 抽象工厂：创建产品家族
- 工厂方法：创建单一产品
- 抽象工厂通常使用工厂方法实现
抽象工厂 vs 建造者模式
- 抽象工厂：立即返回完整产品族
- 建造者：分步骤构建复杂对象
抽象工厂 vs 原型模式
- 抽象工厂：通过子类化创建产品
- 原型：通过克隆原型创建产品

最佳实践与性能考量

工厂缓存与重用

// 单例工厂实例
class FactoryProvider {
public:static UIFactory& getFactory(const std::string& type) {static std::map<std::string, std::unique_ptr<UIFactory>> factories;if (!factories[type]) {factories[type] = createUIFactory(type);}return *factories[type];}
};

轻量级工厂

// 使用函数代替完整工厂类
using ButtonCreator = std::function<std::unique_ptr<Button>()>;
using CheckboxCreator = std::function<std::unique_ptr<Checkbox>()>;struct LightweightFactory {ButtonCreator createButton;CheckboxCreator createCheckbox;
};LightweightFactory getMacFactory() {return {[] { return std::make_unique<MacButton>(); },[] { return std::make_unique<MacCheckbox>(); }};
}

编译时工厂（CRTP）

template <typename T>
class UIFactoryBase : public UIFactory {
public:std::unique_ptr<Button> createButton() const override {return std::make_unique<typename T::ButtonType>();}// 类似实现其他方法...
};class WindowsFactory : public UIFactoryBase<WindowsFactory> {
public:using ButtonType = WindowsButton;using CheckboxType = WindowsCheckbox;// 其他类型...
};

可应用案例

数据库访问层

class DatabaseFactory {
public:virtual std::unique_ptr<Connection> createConnection() = 0;virtual std::unique_ptr<Command> createCommand() = 0;virtual std::unique_ptr<DataAdapter> createAdapter() = 0;
};class SQLServerFactory : public DatabaseFactory { /*...*/ };
class OracleFactory : public DatabaseFactory { /*...*/ };

跨平台文件系统

class FileSystemFactory {
public:virtual std::unique_ptr<FileReader> createFileReader() = 0;virtual std::unique_ptr<FileWriter> createFileWriter() = 0;virtual std::unique_ptr<PathResolver> createPathResolver() = 0;
};class NTFSFactory : public FileSystemFactory { /*...*/ };
class APFSFactory : public FileSystemFactory { /*...*/ };

游戏开发资源管理

class GameAssetFactory {
public:virtual std::unique_ptr<Character> createCharacter() = 0;virtual std::unique_ptr<Weapon> createWeapon() = 0;virtual std::unique_ptr<Environment> createEnvironment() = 0;
};class MedievalFactory : public GameAssetFactory { /*...*/ };
class SciFiFactory : public GameAssetFactory { /*...*/ };