设计模式 | 工厂模式

工厂模式（Factory Pattern） 是创建型设计模式的核心成员，它通过将对象创建的逻辑封装起来，实现了创建与使用的解耦。本文将深入探讨工厂模式的核心思想、实现技巧以及在C++中的高效实现方式。

为什么需要工厂模式？

在软件开发中，直接使用new关键字创建对象会带来诸多问题：

紧耦合：客户端代码依赖具体类实现
难以扩展：添加新产品需要修改客户端代码
职责混乱：对象创建逻辑分散在各处
违反开闭原则：对修改开放，对扩展封闭

工厂模式通过封装对象创建过程解决了这些问题，提供了一种灵活的创建机制。当你的代码中存在以下情况时，工厂模式特别有用：

无法预知需要创建的具体类型
需要集中管理对象的创建逻辑
系统需要支持多种类型的产品
希望将实例化延迟到子类

工厂模式的两种形态

1. 简单工厂模式（静态工厂）

简单工厂模式是最基础的形式，它通过一个静态方法封装对象的创建逻辑。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <stdexcept>// 抽象产品类：图形接口
class Shape {
public:virtual void draw() const = 0;virtual ~Shape() = default;
};// 具体产品类：圆形
class Circle : public Shape {
public:void draw() const override {std::cout << "○ 绘制圆形" << std::endl;}
};// 具体产品类：矩形
class Rectangle : public Shape {
public:void draw() const override {std::cout << "□ 绘制矩形" << std::endl;}
};// 具体产品类：三角形
class Triangle : public Shape {
public:void draw() const override {std::cout << "△ 绘制三角形" << std::endl;}
};// 简单工厂类
class ShapeFactory {
public:// 形状类型枚举enum ShapeType { CIRCLE, RECTANGLE, TRIANGLE };// 创建形状的静态方法static std::unique_ptr<Shape> createShape(ShapeType type) {switch (type) {case CIRCLE:return std::make_unique<Circle>();case RECTANGLE:return std::make_unique<Rectangle>();case TRIANGLE:return std::make_unique<Triangle>();default:throw std::invalid_argument("错误：不支持的形状类型");}}
};// 创建具体实列
int main() {// 创建圆形auto circle = ShapeFactory::createShape(ShapeFactory::CIRCLE);circle->draw();// 创建矩形auto rect = ShapeFactory::createShape(ShapeFactory::RECTANGLE);rect->draw();// 创建三角形auto triangle = ShapeFactory::createShape(ShapeFactory::TRIANGLE);triangle->draw();return 0;
}

优点：

实现简单，易于理解
集中管理对象的创建逻辑
客户端与具体产品类解耦

缺点：

违反开闭原则（添加新产品需修改工厂类）
工厂类职责过重（所有产品都在一个工厂中创建）
不支持运行时动态扩展

2. 工厂方法模式

工厂方法模式将对象创建延迟到子类，解决了简单工厂的开闭原则问题。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>// 抽象产品：日志记录器
class Logger {
public:virtual void log(const std::string& message) = 0;virtual ~Logger() = default;
};// 具体产品：文件日志
class FileLogger : public Logger {
public:void log(const std::string& message) override {std::cout << "[文件日志] " << message << std::endl;}
};// 具体产品：控制台日志
class ConsoleLogger : public Logger {
public:void log(const std::string& message) override {std::cout << "[控制台日志] " << message << std::endl;}
};// 具体产品：网络日志
class NetworkLogger : public Logger {
public:void log(const std::string& message) override {std::cout << "[网络日志] " << message << std::endl;}
};// 抽象创建者
class LoggerCreator {
public:virtual std::unique_ptr<Logger> createLogger() = 0;void logMessage(const std::string& message) {auto logger = createLogger();logger->log(message);}virtual ~LoggerCreator() = default;
};// 具体创建者：文件日志工厂
class FileLoggerCreator : public LoggerCreator {
public:std::unique_ptr<Logger> createLogger() override {return std::make_unique<FileLogger>();}
};// 具体创建者：控制台日志工厂
class ConsoleLoggerCreator : public LoggerCreator {
public:std::unique_ptr<Logger> createLogger() override {return std::make_unique<ConsoleLogger>();}
};// 具体创建者：网络日志工厂
class NetworkLoggerCreator : public LoggerCreator {
public:std::unique_ptr<Logger> createLogger() override {return std::make_unique<NetworkLogger>();}
};// 创建实例
int main() {std::vector<std::unique_ptr<LoggerCreator>> creators;creators.push_back(std::make_unique<FileLoggerCreator>());creators.push_back(std::make_unique<ConsoleLoggerCreator>());creators.push_back(std::make_unique<NetworkLoggerCreator>());for (auto& creator : creators) {creator->logMessage("应用启动完成");}return 0;
}

核心思想：

定义创建对象的接口，但让子类决定实例化哪个类
工厂方法使一个类的实例化延迟到其子类
符合"开闭原则" - 对扩展开放，对修改关闭

工厂方法模式的高级应用

1. 参数化工厂方法

class UniversalCreator : public LoggerCreator {
public:enum LoggerType { FILE, CONSOLE, NETWORK };UniversalCreator(LoggerType type) : type_(type) {}std::unique_ptr<Logger> createLogger() override {switch (type_) {case FILE: return std::make_unique<FileLogger>();case CONSOLE: return std::make_unique<ConsoleLogger>();case NETWORK: return std::make_unique<NetworkLogger>();default: throw std::invalid_argument("无效的日志类型");}}private:LoggerType type_;
};// 使用示例
int main() {UniversalCreator fileCreator(UniversalCreator::FILE);fileCreator.logMessage("保存到文件");UniversalCreator consoleCreator(UniversalCreator::CONSOLE);consoleCreator.logMessage("输出到控制台");return 0;
}

2. 工厂方法 + 单例模式

class Database {
public:virtual void connect() = 0;virtual ~Database() = default;
};class MySQL : public Database {
public:void connect() override {std::cout << "连接到MySQL数据库" << std::endl;}static MySQL& getInstance() {static MySQL instance;return instance;}private:MySQL() = default;
};class PostgreSQL : public Database {
public:void connect() override {std::cout << "连接到PostgreSQL数据库" << std::endl;}static PostgreSQL& getInstance() {static PostgreSQL instance;return instance;}private:PostgreSQL() = default;
};class DatabaseFactory {
public:virtual Database& create() = 0;virtual ~DatabaseFactory() = default;
};class MySQLFactory : public DatabaseFactory {
public:Database& create() override {return MySQL::getInstance();}
};class PostgreSQLFactory : public DatabaseFactory {
public:Database& create() override {return PostgreSQL::getInstance();}
};// 使用示例
int main() {MySQLFactory mysqlFactory;auto& mysql = mysqlFactory.create();mysql.connect();PostgreSQLFactory pgFactory;auto& pg = pgFactory.create();pg.connect();return 0;
}

工厂模式的优缺点分析

优点：

解耦创建者和具体产品
符合开闭原则，易于扩展
单一职责原则（创建逻辑集中）
便于代码维护和测试
支持依赖倒置原则

缺点：

引入额外类，增加系统复杂性
需要设计良好的继承体系
客户端可能需要理解工厂结构
简单场景下可能显得过度设计

工厂模式的典型应用场景

框架设计：框架需要为应用提供扩展点

class Plugin {
public:virtual void execute() = 0;virtual ~Plugin() = default;
};class PluginFactory {
public:virtual std::unique_ptr<Plugin> createPlugin() = 0;
};

跨平台开发：为不同平台创建适配对象

class GUIButton {
public:virtual void render() = 0;
};class WindowsButton : public GUIButton { /*...*/ };
class MacButton : public GUIButton { /*...*/ };class GUIFactory {
public:virtual std::unique_ptr<GUIButton> createButton() = 0;
};

对象池管理：管理可重用对象的创建

class Connection {
public:virtual void open() = 0;
};class ConnectionPool {
public:virtual std::unique_ptr<Connection> createConnection() = 0;virtual void returnConnection(std::unique_ptr<Connection>) = 0;
};

依赖注入：通过工厂注入依赖对象

class Service {
public:virtual void performTask() = 0;
};class Client {
public:Client(std::unique_ptr<ServiceFactory> factory): factory_(std::move(factory)) {}void execute() {auto service = factory_->createService();service->performTask();}private:std::unique_ptr<ServiceFactory> factory_;
};

工厂模式的最佳实践

优先使用工厂方法：除非系统非常简单，否则优先选择工厂方法模式
结合智能指针：使用std::unique_ptr或std::shared_ptr管理对象生命周期

使用模板减少重复代码

template <typename T>
class StandardCreator : public LoggerCreator {
public:std::unique_ptr<Logger> createLogger() override {return std::make_unique<T>();}
};// 使用
StandardCreator<FileLogger> fileCreator;

工厂方法命名规范：

createXXX()
makeXXX()
newXXX()
getInstance() (单例场景)

工厂模式 vs 简单工厂

特性	简单工厂模式	工厂方法模式
开闭原则	违反（修改工厂类）	支持（扩展子类）
复杂度	简单	中等
扩展性	有限	优秀
类数量	较少	较多（每个产品对应工厂）
适用场景	产品类型少且固定	产品类型多或可能扩展