以boost factory & boost function实现对象工厂设计模式

工厂对象模式简介

在GoF的《设计模式》一书中，对Factory Method/Object Method 意图描述如下：

定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化是哪一个类。 Factory Metho是一个类的实例化延迟到其子类。

其结构图如下：





其中， 类 Product 定义了一类对象的接口。 ConcreteProduct 实现 Product 的接口。 Creator是工厂方法的包装器。ConcreteCreator 类实现Creator的接口。基于以上结构，每个ConcreteProduct必须带有一个 ConcreteCreator， 用来产生特定的ConcreteProduct。

这种实现的缺点，在《设计模式》一书中也提到过一点 是客户可能仅仅想创建一个特定的 ConcreteProduct 对象，但必须额外创建 Creator 的子类。 在ConcreteProduct 的演化上造成额外的工作量。 另一点从代码简洁之道角度来看，每一个 ConcreteCreator 的实现都几乎一样，就像一幕幕乏味的样板戏，简直就是鸡肋。

那么如何改进呢？

用boost factory & boost function实现对象工厂

文件：ObjectFactory.h

#ifndef MP_OBJECT_FACTORY_H
#define MP_OBJECT_FACTORY_H
#include <boost/function.hpp>
#include <map>

/// 工厂模式泛型实现.
/// 限制: 生成的对象必须为通过默认构造函数来构造.
/// 当然你也可以扩展这个模板让它支持更多参数的构造函数.
template<typename IdType, typename ObjectType>
class ObjectFactory
{
public:
/// 表示默认构造函数的函数对象.
typedef boost::function< ObjectType* () > CreatorType;

/// 构造函数对应的函数对象的关联容器.
typedef std::map<IdType, CreatorType> ObjectCreator_map;

/// 注册子类对象的构造函数信息.
void RegisterObjectCreator(const IdType& id, const CreatorType &creator)
{
objectCreatorMap_[id] = creator;
}

/// 通过默认构造函数在堆上创建一个新的对象实例. 使用new生成.
ObjectType * MakeObject(const IdType& id)
{
ObjectCreator_map::const_iterator iter = objectCreatorMap_.find(id);
if (iter == objectCreatorMap_.end())
{
return NULL;
}
else
{
return (iter->second)();
}
}

private:
ObjectCreator_map objectCreatorMap_;
};

#endif

以上代码中，模板ObjectFactor接收两个参数，第一个参数IdType是用来标识是哪种子类对象的关键字。ObjectType是基类对象类型。也就是上面结构图中的Product。为了实现创建ConcreteProduct对象的方法，我们需要获得每个子类对象的构造函数信息，通过RegisterObjectCreator方法我们将子类对象的构造函数信息保存在工厂中。 那么哪种数据结构表示构造函数信息呢？ 通过普通函数指针，好像行不通。在这里我们用到了 boost::function，它可以将任意的函数信息封装到function object对象中，从而可以实现赋值，调用等操作。

以上工厂实现中我们将任意类型的默认构造函数信息用 boost::function 进行封装，表示成 typedef boost::function< ObjectType* () > CreatorType;

后面我们就是建一张表来关联IdType与它所对应ConcreteProduct的构造函数信息。这里我们直接用 std::map关联容器来存储。

RegisterObjectCreator用于注册ConcreteProduct对象的构造函数信息。

MakeObject用于根据传入的IdType来生成对应的ConcreteProduct对象。注意这一句 (iter->second)(); 它返回指向ObjectType对象的指针。 实际上iter->second返回是一个CreatorType 类型函数对象，对一个函数对象进行()调用。因为CreatorType是对构造函数的封装，因此实际上是调用ConcreteProduct的构造函数生成一个ConcreteProduct对象。 后面会看到 CreatorType 是我们用 boost::factory 封装的，它默认会调用new操作符从堆上构造一个ConcreteProduct对象。

如何使用对象工厂

我们来实现GoF Factory Method结构图中类似的代码。

首先我们定义几个类:

Product -- 产品类接口封装，定义了类对象的接口。

ConcreteProductA -- 具体的产品A，该类 实现 Product 的接口。

ConcreteProductB -- 具体的产品B，该类 实现 Product 的接口。

文件：Product.h

#ifndef MP_PRODUCT_H
#define MP_PRODUCT_H
#include <boost/shared_ptr.hpp>

class Product
{
public:
explicit Product() {};
virtual ~Product() {};
virtual void DoSomething() = 0;
};

typedef boost::shared_ptr<Product> Product_ptr;

#endif

文件：ConcreteProductA.h

#ifndef MP_CONCRETE_PRODUCT_A_H
#define MP_CONCRETE_PRODUCT_A_H
#include <iostream>

class ConcreteProductA
:public Product
{
public:
void DoSomething()
{
std::cout<<__FUNCTION__<<std::endl;
}
};

#endif

文件：ConcreteProductB.h

#ifndef MP_CONCRETE_PRODUCT_B_H
#define MP_CONCRETE_PRODUCT_B_H
#include <iostream>

class ConcreteProductB
:public Product
{
public:
void DoSomething()
{
std::cout<<__FUNCTION__<<std::endl;
}
};

#endif

下面我们来测试上面的对象工厂。

文件： Main.cpp

#include "Product.h"
#include "ConcreteProductA.h"
#include "ConcreteProductB.h"
#include "ObjectFactory.h"
#include <string>
#include <boost/functional/factory.hpp>

int main(int argc, char **argv)
{
ObjectFactory<std::string, Product> productFactory; // 对象工厂

// 注册对象构造器.
productFactory.RegisterObjectCreator("PRODUCT_A", boost::factory<ConcreteProductA *>() );
productFactory.RegisterObjectCreator("PRODUCT_B", boost::factory<ConcreteProductB *>() );

//通过工厂生成对象, 存储在shared_ptr中.
Product_ptr productA( productFactory.MakeObject("PRODUCT_A") );
Product_ptr productB( productFactory.MakeObject("PRODUCT_B") );

// 演示多态性质。
productA->DoSomething();
productB->DoSomething();
return 0;
}

在以上测试中，我们首先生成一个对象工厂，这里我们以std::string作为IdType来标示是哪种类型的ConcreteProduct。

然后向工厂中注册具体类的构造方法： productFactory.RegisterObjectCreator("PRODUCT_A", boost::factory<ConcreteProductA *>() ); 注意：这里用到了boost::factory，它可以将 new 表达式封装成函数对象(function object), 这也正式我们工厂的注册方法所需要的参数。

后面我们调用对象工厂的MakeObject来生成我们期望的ConcreteProduct对象。 我们用一个字符串来标识要生成哪种类型的ConcreteProduct对象。同时我们将返回的对象指针保存在 shared_ptr中，从而实现对象的自动管理。 类型Product_ptr的定义为： typedef boost::shared_ptr<Product> Product_ptr; 它是对Product接口的智能指针封装。

最后，就是展示多态行为的时候了，我们调用不同ConcreteProduct对象的DoSomething来演示。运行效果如下：

限制说明：

1. 本文只是实现了带有默认构造函数的对象工厂。 如果你愿意也可以实现带有多个参数构造函数的对象工厂。

2. ObjectFactory 也可以实现为Singleton模式，根据个人需要吧，本文的重点不在这里。

参考资料：

1. 《设计模式可复用面向对象软件的基础》/ Design Patterns:Elements of Reusable Object-Oriented software GoF

2. 《C＋＋_设计新思维》 / Modern C++ Design Andrei Alexandrescu

3. Boost.Functional/Factory document Tobias Schwinger

4. Boost.Function document Douglas Gregor