【C++设计模式】第三篇：抽象工厂模式（Abstract Factory）

注意：复现代码时，确保 VS2022 使用 C++17/20 标准以支持现代特性。

构建相关对象族的统一接口，保障产品兼容性

1. 模式定义与用途

核心目标：提供一个接口，用于创建一系列相关或依赖对象，而无需指定它们的具体类。
常见场景：

跨平台UI系统（同时创建风格一致的按钮、窗口、滚动条）
数据库访问层（统一生成连接、命令、事务对象，支持多种数据库）
游戏资源加载（为不同画质模式创建匹配的材质、模型、音效）

2. 模式结构解析

在这里插入图片描述

AbstractFactory：声明创建产品族的方法（如 createButton(), createWindow()）
ConcreteFactory：实现具体产品族的创建（如 WindowsFactory, MacOSFactory）
AbstractProduct：定义产品接口（如 IButton, IWindow）
ConcreteProduct：实现具体产品（如 WindowsButton,MacOSWindow）

3. 现代 C++ 实现示例：跨平台UI组件

3.1 基础实现

#include <iostream>
#include <memory>// 抽象产品：按钮
class IButton {
public:virtual ~IButton() = default;virtual void render() const = 0;
};// 具体产品：Windows 按钮
class WindowsButton : public IButton {
public:void render() const override {std::cout << "[Windows] Flat-style button\n";}
};// 具体产品：MacOS 按钮
class MacOSButton : public IButton {
public:void render() const override {std::cout << "[MacOS] Rounded button\n";}
};// 抽象产品：窗口
class IWindow {
public:virtual ~IWindow() = default;virtual void draw() const = 0;
};// 具体产品：Windows 窗口
class WindowsWindow : public IWindow {
public:void draw() const override {std::cout << "[Windows] Rectangular window with Aero effect\n";}
};// 具体产品：MacOS 窗口
class MacOSWindow : public IWindow {
public:void draw() const override {std::cout << "[MacOS] Rounded corners window with traffic lights\n";}
};// 抽象工厂
class UIFactory {
public:virtual ~UIFactory() = default;virtual std::unique_ptr<IButton> createButton() const = 0;virtual std::unique_ptr<IWindow> createWindow() const = 0;
};// 具体工厂：Windows 风格
class WindowsUIFactory : public UIFactory {
public:std::unique_ptr<IButton> createButton() const override {return std::make_unique<WindowsButton>();}std::unique_ptr<IWindow> createWindow() const override {return std::make_unique<WindowsWindow>();}
};// 具体工厂：MacOS 风格
class MacOSUIFactory : public UIFactory {
public:std::unique_ptr<IButton> createButton() const override {return std::make_unique<MacOSButton>();}std::unique_ptr<IWindow> createWindow() const override {return std::make_unique<MacOSWindow>();}
};// 客户端：构建完整UI界面
void buildUI(const UIFactory& factory) {auto button = factory.createButton();auto window = factory.createWindow();window->draw();button->render();
}int main() {WindowsUIFactory winFactory;buildUI(winFactory);  // 输出Windows风格组件MacOSUIFactory macFactory;buildUI(macFactory);  // 输出MacOS风格组件return 0;
}

代码解析：

工厂类（WindowsUIFactory/MacOSUIFactory）确保创建的按钮、窗口风格一致。
新增产品类型（如滚动条）只需扩展抽象工厂接口，无需修改已有客户端代码。

3.2 动态配置的多主题支持

#include <unordered_map>
#include <functional>// 主题类型枚举
enum class ThemeType { Material, Neumorphism, PixelArt };// 抽象工厂注册模板（C++17 特性）
template <typename T>
class ThemeFactoryRegistry {
public:using FactoryCreator = std::function<std::unique_ptr<T>()>;static void registerTheme(ThemeType type, FactoryCreator creator) {getRegistry()[type] = creator;}static std::unique_ptr<T> create(ThemeType type) {auto it = getRegistry().find(type);if (it != getRegistry().end()) {return it->second();}throw std::runtime_error("Unsupported theme type");}private:static std::unordered_map<ThemeType, FactoryCreator>& getRegistry() {static std::unordered_map<ThemeType, FactoryCreator> registry;return registry;}
};// 具体主题注册示例
class MaterialUIFactory : public UIFactory { /*...*/ };
class NeumorphismUIFactory : public UIFactory { /*...*/ };void registerThemes() {ThemeFactoryRegistry<UIFactory>::registerTheme(ThemeType::Material, [] { return std::make_unique<MaterialUIFactory>(); });ThemeFactoryRegistry<UIFactory>::registerTheme(ThemeType::Neumorphism,[] { return std::make_unique<NeumorphismUIFactory>(); });
}// 运行时切换主题
void loadUserPreferredTheme() {auto factory = ThemeFactoryRegistry<UIFactory>::create(ThemeType::Neumorphism);buildUI(*factory);
}

代码解析：

利用模板和 std::function 实现主题动态注册，支持热切换。
结合配置文件可实现用户自定义主题的实时加载。

4. 应用场景示例：数据库访问抽象

// 抽象产品：数据库连接
class IDBConnection {
public:virtual void open() = 0;virtual void execute(const std::string& query) = 0;
};// 抽象产品：数据库事务
class IDBTransaction {
public:virtual void begin() = 0;virtual void commit() = 0;
};// 抽象工厂
class DBFactory {
public:virtual std::unique_ptr<IDBConnection> createConnection() = 0;virtual std::unique_ptr<IDBTransaction> createTransaction() = 0;
};// MySQL 具体实现
class MySQLConnection : public IDBConnection { /*...*/ };
class MySQLTransaction : public IDBTransaction { /*...*/ };class MySQLFactory : public DBFactory {
public:std::unique_ptr<IDBConnection> createConnection() override {return std::make_unique<MySQLConnection>();}std::unique_ptr<IDBTransaction> createTransaction() override {return std::make_unique<MySQLTransaction>();}
};// PostgreSQL 具体实现
class PostgreSQLConnection : public IDBConnection { /*...*/ };
class PostgreSQLTransaction : public IDBTransaction { /*...*/ };// 客户端代码保持与具体数据库解耦
void runDatabaseOperations(DBFactory& factory) {auto conn = factory.createConnection();auto txn = factory.createTransaction();conn->open();txn->begin();// ... 执行操作txn->commit();
}

5. 优缺点分析

优点	缺点
严格保证产品族的兼容性	新增产品类型需修改所有工厂
隐藏具体类实现细节	代码复杂度随产品数量指数增长
易于切换整个产品系列	需要预先设计完善的产品层次