c++工厂模式探究

简介

工厂方法，通常又被称作虚构造函数，给一个ID，就可以产出一个对象。
了解设计模式的人都知道这样一份臭名昭著的实现：

// ---------------------------------------------------------------------------------
// Shape.h

enum ShapeType { ShapeType_Line, ShapeType_Triangle, };
class Shape {
public:
virtual ~Shape() {}
virtual void Draw() = 0;
static Shape* Create( ShapeType shapeType );
};

// ---------------------------------------------------------------------------------
// Shape.cpp

#include "Line.h"
#include "Triangle.h"
Shape* Shape::Create( ShapeType shapeType ) {
switch ( shapeType ) {
case ShapeType_Line: return new Line;
case ShapeType_Triangle: return new Triangle;
default: return NULL;
}
}

缺点

一个显著的缺点是新类型难于扩展：
如果你新增了一个类型Rectangle，就要改动
1. Shape.h - 在enum里加一个类型ID
2. Shape.cpp - 增加一个头文件#include，增加一个switch case分支

对于Shape.h的改动的影响面可能超乎你的想象：
1. 所有派生于Shape的类实现，因为包含到Shape.h，将不得不重新编译
2. 所有Shape类的用户同样也得重新编译

另外这种做法无法封装成库，因为我们不可能因为用户新增了类型而去修改lib文件。
所以要具备可扩展性，用户新增的类型就不能影响Shape.h和Shape.cpp。要怎做呢？Loki库给了我们很好的展示，基本做法像下面这样：

解决方案

// ---------------------------------------------------------------------------------
// Shape.h

typedef const char* ShapeType;
typedef Shape* (*Creator)();

class Shape {
public:
virtual ~Shape() {}
virtual void Draw() = 0;
};

class ShapeFactory {
public:
static ShapeFactory& Instance() {
static ShapeFactory instance;
return instance;
}

Shape* Create( ShapeType shapeType );
bool RegisterShape( ShapeType shapeType, Creator creator );

private:
ShapeFactory() {}
Map< ShapeType, Creator > shapeCreators;
};

// ---------------------------------------------------------------------------------
// Shape.cpp

Shape* ShapeFactory::Create( ShapeType shapeType ) {
Creator creator = shapeCreators.Find( shapeType );
if ( creator == NULL ) { return NULL; }
return creator();
}

bool RegisterShape( ShapeType shapeType, Creator creator ) {
Creator creator = shapeCreators.Find( shapeType );
if ( creator == NULL ) {
shapeCreators.Insert( shapeType, creator );
return true;
}
return false;
}

// ---------------------------------------------------------------------------------
// Line.cpp

namespace {
Shape* Create() { return new Line; }
const bool RegisterShape__ = ShapeFactory::Instance().RegisterShape( "Line", Create );
}

// ---------------------------------------------------------------------------------
// Triangle.cpp
namespace {
Shape* Create() { return new Triangle; }
const bool RegisterShape__ = ShapeFactory::Instance().RegisterShape( "Triangle", Create );
}

如果增加新类，只需在新类里增加类似上面这段就行了。可以把这断代码做成宏放在Shape.h里面。

#define REGISTER_SHAPE( className ) /
namespace { /
Shape* Create() { return new className; } /
const bool RegisterShape__ = ShapeFactory::Instance().RegisterShape( #className, Create );/
}

细节讨论

1. 关于ID
a）可以采用任何你喜欢的类型做为ID，但必须保证其唯一性。字符串通常是个不错的选择（如果你用整数，那么最好用GUID生成器产生，因为你并不知道其他子类的ID是什么）。
b）采用const char*作为ID，有一定的风险：如果你的类打算从文件中序列化产生，那么序列化出来的字符串并不位于全局静态存储区，直接对其做 == 操作会产生错误。解决方案是使用string替代const char*。

2. ShapeFactory是个单件，关于单件的详细讨论，可以参考：单件和仿单件的6种做法

3. 创建函数typedef Shape* (*Creator)();
此乃上述做法之关键：首先将ID映射为创建函数，再由此函数产生对象。将函数保存起来并于稍后调用，这也是Command模式之核心观念。（《C++设计新思维》p100）
一些替代的方案可供考虑：
a）传统方案，用函数对象代替函数指针：

struct Creator {
Shape* operator() {
return new Line;
}
}

b）使用模板以避免创建子类（详见《设计模式》p74-75）：

struct Creator {
virtual Shape* Create() = 0;
}

template <class T>
struct StdCreator : public Creator {
virtual Shape* Create() { return T; }
}

与Loki同行

如果你的工程使用Loki，那么一切都简单了，像下面这样：
// ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// Shape.h

#ifndef Shape_H_INCLUDED_
#define Shape_H_INCLUDED_

#include <string>
#include <loki/Singleton.h>
#include <loki/Factory.h>

class Shape {
public:
virtual ~Shape() {}
virtual void Draw() = 0;
};

typedef Loki::SingletonHolder< Loki::Factory< Shape, std::string > > ShapeFactory;

#define REGISTER_SHAPE( className ) /
namespace { /
Shape* Create() { return new className; } /
const bool RegisterShape__ = ShapeFactory::Instance().Register( #className, Create ); /
}

#endif // Shape_H_INCLUDED_

// ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// Line.h

#ifndef Line_H_INCLUDED_
#define Line_H_INCLUDED_

#include "Shape.h"

class Line : public Shape {
public:
virtual void Draw();
};

#endif // Line_H_INCLUDED_

// ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// Line.cpp

#include <iostream>
#include "Line.h"

REGISTER_SHAPE( Line )

void Line::Draw() {
std::cout << "Line::Draw()" << std::endl;
}

// ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// main.cpp

#include "Shape.h"

int main() {
Shape* line = ShapeFactory::Instance().CreateObject( "Line" );
line->Draw();
delete line;
return 0;
}