C++ 设计模式笔记——2. 创建型模式

Factory Method (工厂方法)

工厂方法模式是一种创建型设计模式，其在父类中提供一个创建对象的方法，允许子类决定实例化对象的类型。

我们需要定义两个抽象类：产品基类Product和工厂基类Factory，后者提供创建产品的方法createProduct()。 具体产品（ProductA、ProductB）需要继承自产品基类Product。 每一个产品都需要提供配套的工厂（FactoryA、FactoryB），工厂需要继承自工厂基类Factory，对创建产品的方法提供不同的实现。

示例代码如下

#include <iostream>
#include <memory>

// 产品接口
struct Product {
    virtual void describe() const = 0;
    virtual ~Product() = default;
};

// 产品A
struct ProductA : Product {
    void describe() const override { std::cout << "This is Product A.\n"; }
};

// 产品B
struct ProductB : Product {
    void describe() const override { std::cout << "This is Product B.\n"; }
};

// 工厂接口
struct Factory {
    virtual std::unique_ptr<Product> createProduct() const = 0;
    virtual ~Factory() = default;
};

// 工厂A
struct FactoryA : Factory {
    std::unique_ptr<Product> createProduct() const override {
        return std::make_unique<ProductA>();
    }
};

// 工厂B
struct FactoryB : Factory {
    std::unique_ptr<Product> createProduct() const override {
        return std::make_unique<ProductB>();
    }
};

// 客户端代码
void clientCode(const Factory &factory) {
    auto product = factory.createProduct();
    product->describe();
}

int main() {
    std::cout << "Client: Working with a Factory A:\n";
    FactoryA productAFactory;
    clientCode(productAFactory);

    std::cout << "\nClient: Working with a Factory B:\n";
    FactoryB productBFactory;
    clientCode(productBFactory);

    return 0;
}

Abstract Factory (抽象工厂)

抽象工厂模式是一种创建型设计模式，它能创建一系列相关的对象，而无需指定其具体类。

我们需要定义多个抽象产品接口（AbstractProductA 和 AbstractProductB）， 每个抽象产品接口有不同的实现（ProductA1 和 ProductA2，ProductB1 和 ProductB2）。

我们还需要定义一个抽象工厂接口（AbstractFactory），以及两个具体工厂类（ConcreteFactory1 和 ConcreteFactory2）， 它们可以提供不同的产品创建方案，在多个产品的不同实现之间自由搭配：

• ConcreteFactory1 提供 ProductA1 和 ProductB1 的创建
• ConcreteFactory2 提供 ProductA2 和 ProductB2 的创建

示例代码如下

#include <iostream>
#include <memory>

// 产品A接口
struct AbstractProductA {
    virtual void describe() const = 0;
    virtual ~AbstractProductA() = default;
};

// 产品B接口
struct AbstractProductB {
    virtual void describe() const = 0;
    virtual ~AbstractProductB() = default;
};

// 具体产品A1
struct ProductA1 : AbstractProductA {
    void describe() const override { std::cout << "This is Product A1.\n"; }
};

// 具体产品A2
struct ProductA2 : AbstractProductA {
    void describe() const override { std::cout << "This is Product A2.\n"; }
};

// 具体产品B1
struct ProductB1 : AbstractProductB {
    void describe() const override { std::cout << "This is Product B1.\n"; }
};

// 具体产品B2
struct ProductB2 : AbstractProductB {
    void describe() const override { std::cout << "This is Product B2.\n"; }
};

// 抽象工厂接口
struct AbstractFactory {
    virtual std::unique_ptr<AbstractProductA> createProductA() const = 0;
    virtual std::unique_ptr<AbstractProductB> createProductB() const = 0;
    virtual ~AbstractFactory() = default;
};

// 具体工厂1
struct ConcreteFactory1 : AbstractFactory {
    std::unique_ptr<AbstractProductA> createProductA() const override {
        return std::make_unique<ProductA1>();
    }

    std::unique_ptr<AbstractProductB> createProductB() const override {
        return std::make_unique<ProductB1>();
    }
};

// 具体工厂2
struct ConcreteFactory2 : AbstractFactory {
    std::unique_ptr<AbstractProductA> createProductA() const override {
        return std::make_unique<ProductA2>();
    }

    std::unique_ptr<AbstractProductB> createProductB() const override {
        return std::make_unique<ProductB2>();
    }
};

// 客户端代码
void clientCode(const AbstractFactory &factory) {
    auto productA = factory.createProductA();
    auto productB = factory.createProductB();
    productA->describe();
    productB->describe();
}

int main() {
    std::cout << "Client: Testing client code with the first factory type:\n";
    ConcreteFactory1 factory1;
    clientCode(factory1);

    std::cout << "\nClient: Testing the same client code with the second "
                 "factory type:\n";
    ConcreteFactory2 factory2;
    clientCode(factory2);

    return 0;
}

Builder (建造者/生成器)

建造者模式是一种创建型设计模式，又称为生成器模式，它允许我们使用简单的创建代码生成具有复杂配置的对象。

产品类House的配置比较繁琐：需要调用不同的接口，可能需要传递很多参数，可能还与顺序相关。 我们使用建造者类HouseBuilder将配置过程打包，提供成套的方案：

• 基本房屋 buildBasicHouse()
• 完整房屋 buildFullHouse()

调用者可以通过HouseBuilder方便地完成对象的创建，同时House也保留了灵活的配置能力。

示例代码如下

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

// 产品类
class House {
public:
    void setFoundation(const std::string &foundation) {
        m_foundation = foundation;
    }

    void setStructure(const std::string &structure) { m_structure = structure; }

    void setRoof(const std::string &roof) { m_roof = roof; }

    void setInterior(const std::string &interior) { m_interior = interior; }

    void describe() const {
        std::cout << "House with the following parts:\n";
        std::cout << " - Foundation: " << m_foundation << "\n";
        std::cout << " - Structure: " << m_structure << "\n";
        std::cout << " - Roof: " << m_roof << "\n";
        std::cout << " - Interior: " << m_interior << "\n";
    }

private:
    std::string m_foundation;
    std::string m_structure;
    std::string m_roof;
    std::string m_interior;
};

// 建造者类
class HouseBuilder {
public:
    HouseBuilder() { m_house = std::make_unique<House>(); }

    HouseBuilder &buildFullHouse() {
        m_house->setFoundation("Concrete");
        m_house->setStructure("Wood");
        m_house->setRoof("Shingles");
        m_house->setInterior("Drywall");
        return *this;
    }

    HouseBuilder &buildBasicHouse() {
        m_house->setFoundation("Concrete");
        m_house->setStructure("Wood");
        return *this;
    }

    std::unique_ptr<House> getHouse() { return std::move(m_house); }

private:
    std::unique_ptr<House> m_house;
};

int main() {
    // 客户端代码
    std::cout << "Building a full house:\n";
    auto fullHouse = HouseBuilder{}.buildFullHouse().getHouse();
    fullHouse->describe();

    std::cout << "Building a basic house:\n";
    auto basicHouse = HouseBuilder{}.buildBasicHouse().getHouse();
    basicHouse->describe();

    return 0;
}

建造者模式的核心就是把具有复杂配置的对象的创建过程简化，上面代码提供的只是一种示例，还有不同的建造者实现：

• 除了提供成套的创建方案，HouseBuilder也可以提供分步创建的接口，客户端可以使用链式调用完成分步创建，在创建过程中，HouseBuilder还可以提供reset()重置之前的配置。
• 可以直接将建造者HouseBuilder声明为House的友元，从而完全掌握后者的创建：House自身不再需要提供各种配置接口，各种接口可以前移到HouseBuilder中。
• 如果House没有提供各种配置接口，只提供了一个具有很多参数的构造方法，那么HouseBuilder可以在内部记录下对应的参数列表，最后一步调用构造方法完成创建。对于参数列表的记录可以直接实现，例如作为HouseBuilder的公开数据成员即可。

使用示例如下（对应的代码略）

auto house = HouseBuilder{}.setFoundation("Concrete").setStructure("Wood").getHouse();

C++提供的右值引用和移动也可以用于这里的建造者模式：让建造者单步构造过程的返回值是右值，并且对返回值要求[[nodiscard]]。

Prototype (原型)

原型模式是一种创建型设计模式，允许我们复制已有对象，同时无需使代码依赖它们所属的类。（支持复制的对象称为原型，通常提供名为clone()的方法）

抽象原型类AbstractPrototype要求提供clone()接口，具体的原型类PrototypeA和PrototypeB继承并实现了clone()方法。

示例代码如下

#include <iostream>
#include <memory>

// 抽象原型类
class AbstractPrototype {
public:
    virtual ~AbstractPrototype() = default;
    virtual std::unique_ptr<AbstractPrototype> clone() const = 0;
    virtual void print() const = 0;
};

// 具体原型类A
class PrototypeA : public AbstractPrototype {
public:
    explicit PrototypeA(int field) : m_field(field) {}

    PrototypeA(const PrototypeA &other) : m_field(other.m_field) {}

    PrototypeA &operator=(const PrototypeA &) = default;
    PrototypeA &operator=(PrototypeA &&) = default;
    PrototypeA(PrototypeA &&) = default;
    ~PrototypeA() override = default;

    std::unique_ptr<AbstractPrototype> clone() const override {
        return std::make_unique<PrototypeA>(*this);
    }

    void print() const override {
        std::cout << "PrototypeA: " << m_field << std::endl;
    }

private:
    int m_field;
};

// 具体原型类B
class PrototypeB : public AbstractPrototype {
public:
    explicit PrototypeB(std::string field) : m_field(std::move(field)) {}

    PrototypeB(const PrototypeB &other) : m_field(other.m_field) {}

    PrototypeB(PrototypeB &&) = default;
    PrototypeB &operator=(const PrototypeB &) = default;
    PrototypeB &operator=(PrototypeB &&) = default;
    ~PrototypeB() override = default;

    std::unique_ptr<AbstractPrototype> clone() const override {
        return std::make_unique<PrototypeB>(*this);
    }

    void print() const override {
        std::cout << "PrototypeB: " << m_field << std::endl;
    }

private:
    std::string m_field;
};

int main() {
    // 创建原型对象
    auto prototypeA = std::make_unique<PrototypeA>(10);
    auto prototypeB = std::make_unique<PrototypeB>("example");

    // 克隆对象
    auto cloneA = prototypeA->clone();
    auto cloneB = prototypeB->clone();

    // 打印克隆对象的信息
    cloneA->print();
    cloneB->print();

    return 0;
}

Singleton (单例)

单例模式是一种创建型设计模式，它能够保证一个类只有一个实例，并提供访问该实例的全局方法。按照构造时机可以分为饿汉版（程序启动时构造）和懒汉版（第一次调用时构造）。

单例模式可以说是最简单的设计模式，对于Java这种完全面向对象的语言才有必要性，对于C++来说，直接使用全局变量或静态变量就可以实现单例的基本效果。 但是即使在C++中，我们一般也不会采用全局变量的方式，因为存在相互依赖的全局变量构造和析构顺序不确定，而且我们有时希望延迟构造时机到第一次调用时。

C++中有很多种方式都可以实现单例模式，下面提供几种示例。

基于类的静态变量（饿汉版）

class Singleton {
protected:
    Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };

    static Singleton demo;  // declare
public:
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

    virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }

    static Singleton &get_instance() { return demo; }
};

Singleton Singleton::demo;  // define

这里在类外的定义是必要的，否则在使用单例时会触发编译错误。

基于类的静态函数的局部静态变量（懒汉版）

class Singleton {
protected:
    Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };

public:
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

    virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }

    static Singleton &get_instance() {
        static Singleton demo;
        return demo;
    }
};

如果希望用new在堆上创建单例对象，就需要做很多保护措施确保线程安全和异常安全等，例如下面的饿汉版单例

class Singleton {
protected:
    Singleton() { std::cout << "Singleton: call Constructor\n"; };

    inline static std::atomic<Singleton *> demo{nullptr};
    inline static std::mutex lock;

public:
    Singleton(const Singleton &) = delete;
    Singleton &operator=(const Singleton &) = delete;

    virtual ~Singleton() { std::cout << "Singleton: call Destructor\n"; }

    static Singleton *get_instance() {
        if (demo == nullptr) {
            std::lock_guard lc{lock};
            if (demo == nullptr) { demo = new Singleton(); }
        }
        return demo;
    }
};

对于单例模式的使用是有争议的：

• 单例模式就像全局变量一样，到处都可以对其访问和修改，这不利于代码解耦，给代码测试和调试带来困难；
• 单例模式需要关注线程安全，增加了代码复杂度；
• 对于一个需要保证全局唯一性的资源管理类，才有必要使用单例模式。