Factory Methods
工廠方法
eryar@163.com
摘要Abstract：本文主要是對(duì)《API Design for C++》中Factory Methods章節(jié)的翻譯，若有不當(dāng)之處，歡迎指正。
關(guān)鍵字Key Words：C++、Factory Pattern、
一、概述 Overview
工廠方法是創(chuàng)建型模式，允許在不指定需要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象類型的情況下創(chuàng)建出對(duì)象。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，工廠方法就是一個(gè)通用的構(gòu)造函數(shù)。C++中的構(gòu)造函數(shù)有以下幾種限制：
l 無(wú)返回值（No return result）。在構(gòu)造函數(shù)中不能返回一個(gè)值。這就意味著：例如當(dāng)構(gòu)造失敗時(shí)不能返回一個(gè)NULL作為初始化失敗的信號(hào)。
l 命名有約束（Constrained naming）。構(gòu)造函數(shù)還是很好識(shí)別的，因?yàn)樗拿仨毰c類名一樣。
l 靜態(tài)綁定創(chuàng)建的（Statically bound creation）。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象時(shí)，必須指定一個(gè)在編譯時(shí)就能確定的類名。如：Foo *f = new Foo()，F(xiàn)oo就是編譯器必須知道的類名。C++的構(gòu)造函數(shù)沒有運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)綁定功能（dynamic binding at run time）。
l 無(wú)虛構(gòu)造函數(shù)（No virtual constructors）。在C++中不能聲明虛的構(gòu)造函數(shù)，必須指定在編譯時(shí)能確定的類型。編譯器據(jù)此為指定的類型分配內(nèi)存，然后調(diào)用基類的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，再調(diào)用指定類的構(gòu)造函數(shù)。這就是不能定義構(gòu)造函數(shù)為虛函數(shù)的原因。
相反地，工廠方法（factory methods）突破了以上所有的限制。工廠方法的基本功能就是一個(gè)可以返回一個(gè)類的實(shí)例的簡(jiǎn)單函數(shù)。但是，它通常與繼承組合使用，派生的類可以重載工廠方法以返回派生類的實(shí)例。使用抽象基類（Abstract Base Classes）來(lái)實(shí)現(xiàn)工廠很常見，也很有用。
二、抽象基類 Abstract Base Classes
抽象基類就是包含一個(gè)或多個(gè)純虛函數(shù)（pure virtual methods）的類，這樣的類不是具體類且不能用new來(lái)實(shí)例化。相反地，它是作為其它派生類的基類，由派生類來(lái)具體實(shí)現(xiàn)那些純虛函數(shù)。例如：
#ifndef RENDERER_H
#define RENDERER_H
#include <string>
///
/// An abstract interface for a 3D renderer.
///
class IRenderer
{
public:
virtual ~IRenderer() {}
virtual bool LoadScene(const std::string &filename) = 0;
virtual void SetViewportSize(int w, int h) = 0;
virtual void SetCameraPos(double x, double y, double z) = 0;
virtual void SetLookAt(double x, double y, double z) = 0;
virtual void Render() = 0;
};
#endif
上述代碼定義了一個(gè)抽象基類，描述了一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的3D圖形渲染器（renderer）。函數(shù)的后綴“＝0”聲明這個(gè)函數(shù)是純虛函數(shù)，表示這個(gè)函數(shù)必須由其派生類來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。
抽象基類是描述了多個(gè)類共有的行為的抽象單元，它約定了所有具體派生類必須遵守的合同。在Java中，抽象基類也叫接口（interface），只是Java的接口只能是公用的方法（public method），靜態(tài)變量，并且不能定義構(gòu)造函數(shù)。將類名IRenderer帶上“I”就是為了表明這個(gè)類是接口類（interface class）。
當(dāng)然，抽象基類中并不是所有的方法都必須是純虛函數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)一些函數(shù)。
當(dāng)任意一個(gè)類有一個(gè)或多個(gè)虛函數(shù)時(shí)，通常會(huì)把抽象基類的析構(gòu)函數(shù)聲明為虛函數(shù)。如下代碼說(shuō)明了這樣做的重要性：
class IRenderer
{
// no virtual destructor declared
virtual void Render() = 0;
};
class RayTracer : public IRenderer
{
RayTracer();
~RayTracer();
void Render(); // provide implementation for ABC method
};
int main(int, char **)
{
IRenderer *r = new RayTracer();
// delete calls IRenderer::~IRenderer, not RayTracer::~RayTracer
delete r;
}
三、簡(jiǎn)單工廠模式 Simple Factory Example
在復(fù)習(xí)了抽象基類后，讓我們?cè)诤?jiǎn)單工廠方法中使用它。繼續(xù)以renderer.h為例，聲明創(chuàng)建工廠，創(chuàng)建的對(duì)象類型為IRenderer，代碼如下所示：
#ifndef RENDERERFACTORY_H
#define RENDERERFACTORY_H
#include "renderer.h"
#include <string>
///
/// A factory object that creates instances of different
/// 3D renderers.
///
class RendererFactory
{
public:
/// Create a new instance of a named 3D renderer.
/// type can be one of "opengl", "directx", or "mesa"
IRenderer *CreateRenderer(const std::string &type);
};
#endif
這里只聲明了一個(gè)工廠方法：它只是一個(gè)普通的函數(shù)，返回值是對(duì)象的實(shí)例。注意到這個(gè)方法不能返回一個(gè)指定類型的IRender實(shí)例，因?yàn)槌橄蠡愂遣荒鼙粚?shí)例化的。但是它可以返回派生類的實(shí)例。當(dāng)然，你可以使用字符串作為參數(shù)來(lái)指定需要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象的類型。
假設(shè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了派生自IRender的三個(gè)具體類：IRenderer::OpenGLRenderer，DirectXRenderer、MesaRenderer。再假設(shè)你不想讓使用API的用戶知道可以創(chuàng)建哪些類型：他們必須完全隱藏在API后面。基于這些條件，可以實(shí)現(xiàn)工廠方法的程序如下：
// rendererfactory.cpp
#include "rendererfactory.h"
#include "openglrenderer.h"
#include "directxrenderer.h"
#include "mesarenderer.h"
IRenderer *RendererFactory::CreateRenderer(const std::string &type)
{
if (type == "opengl")
return new OpenGLRenderer;
if (type == "directx")
return new DirectXRenderer;
if (type == "mesa")
return new MesaRenderer;
return NULL;
}
這個(gè)工廠方法可以返回IRenderer的三個(gè)派生類之一的實(shí)例，取決于傳入的參數(shù)字符串。這就可以讓用戶決定在運(yùn)行時(shí)而不是在編譯時(shí)創(chuàng)建哪個(gè)派生類，這與普通的構(gòu)造函數(shù)要求一致。這樣做是有很多好處的，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)用戶輸入或根據(jù)運(yùn)行時(shí)讀入的配置文件內(nèi)容來(lái)創(chuàng)建不同的對(duì)象。
另外，注意到實(shí)現(xiàn)具體派生類的頭文件只在rendererfactory.cpp中被包含。它們不出現(xiàn)在rendererfactory.h這個(gè)公開的頭文件中。實(shí)際上，這些頭文件是私有的頭文件，且不需要與API一起發(fā)布的。這樣用戶就看不到不同的渲染器的私有細(xì)節(jié)，也看不到具體可以創(chuàng)建哪些不同的渲染器。用戶只需要通過(guò)字符串變量來(lái)指定種要?jiǎng)?chuàng)建的渲染器（若你愿意，也可用一個(gè)枚舉來(lái)區(qū)分類型）。
此例演示了一個(gè)完全可接受的工廠方法。但是，其潛在的缺點(diǎn)就是包含了對(duì)可用的各派生類的硬編碼。若系統(tǒng)需要添加一個(gè)新的渲染器，你必須再編輯rendererfactory.cpp。這并不會(huì)讓人很煩，重要的是不會(huì)影響你提供的公用的API。但是，他的確不能在運(yùn)行時(shí)添加支持的新的派生類。再專業(yè)點(diǎn)，這意味著你的用戶不能向系統(tǒng)中添加新的渲染器。通過(guò)擴(kuò)展的對(duì)象工廠來(lái)解決這些問題。
四、擴(kuò)展工廠模式 Extensible Factory Example
為了讓工派生類從工廠方法中解耦，且允許在運(yùn)行時(shí)添加新的派生類，可以去維護(hù)包含類型及與類型創(chuàng)建關(guān)聯(lián)的函數(shù)的映射（map）來(lái)更新一下工廠類。可以通過(guò)添加幾個(gè)新的函數(shù)用來(lái)注冊(cè)與注銷新的派生類。在運(yùn)行時(shí)能注冊(cè)新的類允許這種類型的工廠方法模式可用于創(chuàng)建可擴(kuò)展的接口。
還有個(gè)需要注意的事是工廠對(duì)象必須保存狀態(tài)，即最好只有一個(gè)工廠對(duì)象。這也是工廠對(duì)象通常是單件的（singletons）。為了程序的簡(jiǎn)單明了，這里使用靜態(tài)變量為例。將所有要點(diǎn)都考慮進(jìn)來(lái)，新的工廠對(duì)象代碼如下所示：
#ifndef RENDERERFACTORY_H
#define RENDERERFACTORY_H
#include "renderer.h"
#include <string>
#include <map>
///
/// A factory object that creates instances of different
/// 3D renderers. New renderers can be dynamically added
/// and removed from the factory object.
///
class RendererFactory
{
public:
/// The type for the callback that creates an IRenderer instance
typedef IRenderer *(*CreateCallback)();
/// Add a new 3D renderer to the system
static void RegisterRenderer(const std::string &type,
CreateCallback cb);
/// Remove an existing 3D renderer from the system
static void UnregisterRenderer(const std::string &type);
/// Create an instance of a named 3D renderer
static IRenderer *CreateRenderer(const std::string &type);
private:
typedef std::map<std::string, CreateCallback> CallbackMap;
static CallbackMap mRenderers;
};
#endif
為了程序的完整性，將其.cpp文件中的代碼示例如下：
#include "rendererfactory.h"
#include <iostream>
// instantiate the static variable in RendererFactory
RendererFactory::CallbackMap RendererFactory::mRenderers;
void RendererFactory::RegisterRenderer(const std::string &type,
CreateCallback cb)
{
mRenderers[type] = cb;
}
void RendererFactory::UnregisterRenderer(const std::string &type)
{
mRenderers.erase(type);
}
IRenderer *RendererFactory::CreateRenderer(const std::string &type)
{
CallbackMap::iterator it = mRenderers.find(type);
if (it != mRenderers.end())
{
// call the creation callback to construct this derived type
return (it->second)();
}
return NULL;
}
使用工廠對(duì)象創(chuàng)建派生類的方法如下所示：
#include "rendererfactory.h"
#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;
/// An OpenGL-based 3D renderer
class OpenGLRenderer : public IRenderer
{
public:
~OpenGLRenderer() {}
bool LoadScene(const std::string &filename) { return true; }
void SetViewportSize(int w, int h) {}
void SetCameraPos(double x, double y, double z) {}
void SetLookAt(double x, double y, double z) {}
void Render() { cout << "OpenGL Render" << endl; }
static IRenderer *Create() { return new OpenGLRenderer; }
};
/// A DirectX-based 3D renderer
class DirectXRenderer : public IRenderer
{
public:
bool LoadScene(const std::string &filename) { return true; }
void SetViewportSize(int w, int h) {}
void SetCameraPos(double x, double y, double z) {}
void SetLookAt(double x, double y, double z) {}
void Render() { cout << "DirectX Render" << endl; }
static IRenderer *Create() { return new DirectXRenderer; }
};
/// A Mesa-based software 3D renderer
class MesaRenderer : public IRenderer
{
public:
bool LoadScene(const std::string &filename) { return true; }
void SetViewportSize(int w, int h) {}
void SetCameraPos(double x, double y, double z) {}
void SetLookAt(double x, double y, double z) {}
void Render() { cout << "Mesa Render" << endl; }
static IRenderer *Create() { return new MesaRenderer; }
};
int main(int, char **)
{
// register the various 3D renderers with the factory object
RendererFactory::RegisterRenderer("opengl", OpenGLRenderer::Create);
RendererFactory::RegisterRenderer("directx", DirectXRenderer::Create);
RendererFactory::RegisterRenderer("mesa", MesaRenderer::Create);
// create an OpenGL renderer
IRenderer *ogl = RendererFactory::CreateRenderer("opengl");
ogl->Render();
delete ogl;
// create a Mesa software renderer
IRenderer *mesa = RendererFactory::CreateRenderer("mesa");
mesa->Render();
delete mesa;
// unregister the Mesa renderer
RendererFactory::UnregisterRenderer("mesa");
mesa = RendererFactory::CreateRenderer("mesa");
if (! mesa)
{
cout << "Mesa renderer unregistered" << endl;
}
return 0;
}
你的API的用戶可以在系統(tǒng)中注冊(cè)與注銷一個(gè)新的渲染器。編譯器將會(huì)確保用戶定義的新的渲染器必須實(shí)現(xiàn)抽象基類IRenderer的所有抽象接口，即新的渲染器類必須實(shí)現(xiàn)抽象基類IRenderer所有的純虛函數(shù)。如下代碼演示了用戶如何自定義新的渲染器，在工廠對(duì)象中注冊(cè)，并叫工廠對(duì)象為之創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例：
這里需要注意的一點(diǎn)是我向類UserRenderer中添加了一個(gè)Create()函數(shù)，這是因?yàn)楣S對(duì)象的注冊(cè)方法需要返回一個(gè)對(duì)象的回調(diào)函數(shù)。這個(gè)回調(diào)函數(shù)不一定必須是抽象基類IRenderer的一部分，它可以是一個(gè)自由的函數(shù)。但是向抽象基類IRenderer中添加這個(gè)函數(shù)是一個(gè)好習(xí)慣，這樣就確保了所有相關(guān)功能的一致性。實(shí)際上，為了強(qiáng)調(diào)這種約定，可以將Create作為抽象基類IRenderer的一個(gè)純虛函數(shù)。
五、結(jié)論 Conclusion
Finally, I note that in the extensible factory example given here, a renderer callback has to be
visible to the RegisterRenderer() function at run time. However, this doesn’t mean that you
have to expose the built-in renderers of your API. These can still be hidden either by registering
them within your API initialization routine or by using a hybrid of the simple factory and the extensible
factory, whereby the factory method first checks the type string against a few built-in names.
If none of those match, it then checks for any names that have been registered by the user. This hybrid
approach has the potentially desirable behavior that users cannot override your built-in classes.