C++设计模式：工厂方法模式

工厂方法模式是一种创建型设计模式，其核心是将对象的创建延迟到子类中，通过定义一个接口来创建对象，使得子类决定实例化哪一个类。它在需要扩展产品类型时特别有用，能够避免代码的重复和耦合。

工厂方法模式的核心概念

抽象产品（Product）
定义产品的接口，描述产品的公共行为。
具体产品（ConcreteProduct）
实现抽象产品接口，定义具体的产品功能。
抽象工厂（Creator/Factory）
定义一个工厂方法接口，用于创建产品对象。
具体工厂（ConcreteCreator/ConcreteFactory）
实现工厂方法，创建特定类型的产品对象。
客户端（Client）
通过工厂方法获取具体产品实例，而无需关心具体产品的实现细节。

案例背景：文档生成器

假设一个文档处理系统需要根据用户需求生成不同类型的文档（如 Word 文档和 PDF 文档）。我们希望通过工厂方法模式实现以下目标：

灵活扩展：添加新文档类型时，无需修改现有代码。
解耦逻辑：客户端代码不直接依赖具体文档类，而是通过工厂方法动态创建。

代码实现：文档生成器

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>// 抽象产品类：定义文档接口
class Document {
public:virtual void open() const = 0;  // 打开文档的接口方法virtual ~Document() = default;
};// 具体产品类：Word文档
class WordDocument : public Document {
public:void open() const override {std::cout << "打开Word文档。\n";}
};// 具体产品类：PDF文档
class PDFDocument : public Document {
public:void open() const override {std::cout << "打开PDF文档。\n";}
};// 抽象工厂类：定义文档工厂接口
class DocumentFactory {
public:virtual std::unique_ptr<Document> createDocument() const = 0;  // 工厂方法virtual ~DocumentFactory() = default;
};// 具体工厂类：Word文档工厂
class WordDocumentFactory : public DocumentFactory {
public:std::unique_ptr<Document> createDocument() const override {return std::make_unique<WordDocument>();  // 创建具体的Word文档对象}
};// 具体工厂类：PDF文档工厂
class PDFDocumentFactory : public DocumentFactory {
public:std::unique_ptr<Document> createDocument() const override {return std::make_unique<PDFDocument>();  // 创建具体的PDF文档对象}
};// 客户端代码：通过工厂方法创建文档
void clientCode(const DocumentFactory& factory) {// 工厂方法生成文档实例auto document = factory.createDocument();document->open();  // 使用文档对象
}int main() {std::cout << "客户端使用Word文档工厂：\n";WordDocumentFactory wordFactory;clientCode(wordFactory);std::cout << "\n客户端使用PDF文档工厂：\n";PDFDocumentFactory pdfFactory;clientCode(pdfFactory);return 0;
}

代码解析

抽象产品（Document）
提供一个通用接口 open，定义所有文档的公共行为。

class Document {
public:virtual void open() const = 0;virtual ~Document() = default;
};

具体产品（WordDocument 和 PDFDocument）
分别实现 Document 接口，定义具体文档的行为。

class WordDocument : public Document {
public:void open() const override {std::cout << "打开Word文档。\n";}
};

抽象工厂（DocumentFactory）
定义一个接口 createDocument，负责创建文档对象。

class DocumentFactory {
public:virtual std::unique_ptr<Document> createDocument() const = 0;virtual ~DocumentFactory() = default;
};

具体工厂（WordDocumentFactory 和 PDFDocumentFactory）
分别实现抽象工厂接口，负责创建对应的文档对象。

class WordDocumentFactory : public DocumentFactory {
public:std::unique_ptr<Document> createDocument() const override {return std::make_unique<WordDocument>();}
};

客户端代码
客户端通过工厂方法获取具体的文档对象，完全解耦了具体产品的实现。

void clientCode(const DocumentFactory& factory) {auto document = factory.createDocument();document->open();
}

运行结果

客户端使用Word文档工厂：
打开Word文档。客户端使用PDF文档工厂：
打开PDF文档。

优缺点分析

优点

解耦对象创建与使用：客户端无需关心对象如何创建，专注于使用。
扩展性强：新增产品类型时，只需添加新的具体工厂类和产品类，无需修改现有代码。
符合单一职责原则：将对象的创建逻辑独立到工厂类中，便于维护。

缺点

类数量增加：每新增一个产品类型，就需要增加一个具体工厂类，可能导致类数量膨胀。
复杂度增加：相比直接实例化对象，工厂方法模式引入了更多的抽象和类层次。

适用场景

系统需要灵活创建对象：如根据不同条件动态创建不同类型的对象。
对象创建逻辑复杂：如需要对创建过程进行封装，避免在客户端暴露创建细节。
需要扩展性：系统需要频繁增加新对象类型。

改进方向

结合C++现代特性（如 std::unique_ptr 和 std::make_unique），可以使代码更加安全、简洁，并减少内存管理的复杂性。同时，可以将工厂与配置文件、命令行参数等结合，进一步提升灵活性。

总结

工厂方法模式是一个经典的创建型设计模式，它通过定义工厂接口和具体工厂，将对象的创建逻辑与使用逻辑分离，使得系统具有更好的扩展性和灵活性。在C++中，通过利用抽象类、继承和智能指针，可以高效实现工厂方法模式，并确保资源管理的安全性和代码的可维护性。