设计模式(1) 创建型模式和抽象工厂(Abstract Factory)

问题聚焦：分别用一句话概括这节的几个知识点

什么是创建型模式：抽象了实例化过程

创建型模式有哪些：抽象工厂，工厂方法，原型模式，生成器模式

什么是抽象工厂（AbstractFactory）模式：与接口交互，获得一系列相关或互相依赖的对象实例。

创建型模式

两个主旋律：

它们都将关于该系统使用哪些具体的类的信息封装起来

它们隐藏了这些类的实例是如何被创建和放在一起的

Demo: 迷宫的创建

关注的问题：

• 迷宫的构件：Room，Wall，Door
• 创建迷宫：使用一系列操作将构件增加到迷宫中，然后连接它们，切忌不可以通过硬编码的方式增加构件
• 增加新的构件：如只有咒语才能打开的Door， 以及如何比较容易的将这些新构件添加到迷宫中

要想很好的实现上面的要求，硬编码是绝对不可以的。

在使用创建型模式解决这些问题之前，先说明一下这个迷宫游戏的一些类和接口的设定

1 构件的类图

Enter()方法决定你下一个转向将要进入什么，是一个新的房间，或是一个墙壁（就是无法通过）。

2 MazeGame：创建迷宫类

MazeGame::Createmaze方法：创建迷宫方法，这是下面所介绍的模式的最重要的接口处

简述：几种创建型模式如何解决这个问题：

1 工厂方法模式（Factory Method）

如果CreateMaze调用虚函数而不是构造器来创建它所需要的房间，墙壁和门，那么你可以创建一个MazeGame的子类并重定义这些虚函数，从而改变被实例化的类。

2 抽象工厂模式（Abstract Factory）

如果传递一个对象给CreateMaze作参数来创建房间，墙壁和门，那么你可以传递不同的参数来改变房间、墙壁和门的类。

3 建造者模式（Builder）

如果传递一个对象给CreateMaze， 这个对象可以在它所在的迷宫中使用增加房间、墙壁和门的操作，来全面创建一个新的迷宫，那么你可以使用继承来改变迷宫的一些部分或该迷宫被创造的方式。

4 原型模式（Prototype）

如果CreateMaze由多种原型的房间，墙壁和门对象参数化，它拷贝并将这些对象增加到迷宫中，那么你可以用不同的对象替换这些原型对象以改变迷宫的构成。

抽象工厂 （Abstract Factory）

意图：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。

Demo：

考虑一个支持多种界面风格的用户界面工具包。

界面风格包括滚动条、窗口和按钮等窗口组件的外观和行为。

要求：保证界面风格的可移植性和灵活性。

设计：

抽象类WidgetFactory类，这个类声明了一个用来创建每一类基本窗口组件的接口

每一类窗口组件都有一个抽象类，而具体子类则实现了抽口组件的特定的风格

使用：

每一种风格标准都对应于一个具体的WidgetFactory子类.

每一子类实现那些用于创建合适风格标准的创口组件的操作.

客户仅与抽象类定义的接口交互，而不使用特定的具体类的接口.

场景：

• 一个系统要独立于它的产品的创建、组合和表示时
• 一个系统要由多个产品系列中的一个来配置时
• 当要强调一系列相关的产品对象的设计以便进行联合使用时
• 当提供一个产品类库，而只想显示它们的接口而不是实现时

结构：

和上面的窗口组件的创建的设计很相似

参与者

• AbstractFactory：声明一个创建抽象产品对象的操作接口
• ConcreteFactory：实现创建具体产品对象的操作
• AbstractProduct：为一类产品对象声明一个接口
• ConcreteProduct：定义一个将被相应的具体工厂创建的产品对象，实现AbstractProduct接口
• Client：仅使用由AbstractFactory和AbstractProduct类声明的接口

协作

通常在运行时刻创建一个ConcreteFactory类的实例，这一具体的工厂创建具有特定实现的产品对象。为创建不同的产品对象，客户应使用不同的具体工厂

AbstractFactory将产品对象的创建延迟到它的ConcreteFactory子类

优点

• 分离了具体的类：用户只通过抽象接口获得实例，被隔离的信息有：创建产品对象的责任和过程，类的实现，类名
• 易于交换产品的系列：一个具体工厂类在一个应用中只出现一次，即是一个单例，所以如果想更换产品系列，只需要使用不同的具体工厂即可，所有生产的接口都是一样的。
• 有利于产品的一致性：当产品对象被设计在一起工作时，一个应用一次只能使用同一个系列中的对象。

缺点

• 难以支持新种类的产品：抽象工厂接口确定了可以被创建的产品集合，如果要支持新种类的产品，就需要扩展该工厂类和其所有子类的相关接口。

实现

将工厂作为单件：一个应用中一般每个产品系列只需要一个具体工厂实例

创建产品：

通常为每一个产品定义一个工厂方法，一个具体的工厂将为每个产品重定义该工厂方法（Factory Method）以指定产品

如果有多个可能的产品系列，具体工厂也可以使用原型（Prototype）模式来实现。具体工厂使用产品系列中每个产品的原型实例来初始化，且它通过复制它的原型来创建新的产品。

定义可扩展的工厂

增加一种新的产品要求改变AbstractFactory的接口以及所有与它相关的类。

一个更灵活但不太安全的设计是给创建对象的操作增加一个参数，该参数指定了将被创建的对象的种类。使用这种方法，AbstractFactrory只需要一个Make操作和一个指示要创建对象的种类的参数。

代码示例  

使用抽象工厂模式创建之前我们所讨论的迷宫

类MazeFactory可以创建迷宫的组件。

class MazeFactory {
public:
    MazeFactory();

    virtual Maze* MakeMaze() const
        { return new Maze; }
    virtual Wall* MakeWall() const
        { return new Wall; }
    virtual Room* MakeRoom(int n) const
        { reutrn new Room(n); }
    virtual Door* MakeDoor(Room* r1, Room* r2) const
        { return new Door(r1, r2); }
};

以MazeFactory为参数的新版本的CreateMaze成员函数

Maze* MazeGame::CreateMaze (MazeFactory& factory) {
    Maze* aMaze = factory.MakeMaze();
    Room* r1 = factory.MakeRoom(1);
    Room* r2 = factory.MakeRoom(2);
    Door* aDoor = factory.MakeDoor(r1, r2);

    aMaze->AddRoom(r1);
    aMaze->AddRoom(r2);
    
    r1->SetSide(North, factory.MakeWall());
    r1->SetSide(East, aDoor);
    ......      // 初始化room1, 和room2的四周
    
    return aMaze;
}

创建MazeFactory的子类EnchantedMazeFactory，这是一个创建施了魔法的迷宫的工厂

class EnchantedMazeFactory : public MazeFactory {
public:
    EnchantedMazeFactory();
    
    virtual Room* MakeRoom(int n) const
        { return new EnchantedRoom(n , CastSpell()); }

    virtual Door* MakeDoor(Room* r1, Room* r2) const
        { return new DoorNeedingSpell(r1, r2); }

protected:
    spell* CastSpell() const;
};

CreateMaze方法接收一个EnchantedMazeFactory实例来建造施了魔法的迷宫

MazeGame game;
EnchantedMazeFactory factory;
game.CreateMaze(factory);

相关模式：

AbstractFactory类通常用工厂方法实现，但它们也可以用原型（Prototype）实现。

一个具体的工厂通常是一个单件（Singleton）。

参考资料：

《设计模式》