如何在C++中实现一个工厂模式_C++工厂设计模式详解-C++-PHP中文网

工厂模式通过解耦对象创建与使用，提升代码扩展性与维护性。其核心是将实例化延迟至子类，结合智能指针管理生命周期，并依场景选用简单工厂、工厂方法或抽象工厂变体，避免类爆炸与内存泄漏。

如何在c++中实现一个工厂模式_c++工厂设计模式详解

C++中的工厂模式，简单来说，就是提供一种创建对象的接口，但把具体创建哪个对象的决定权留给子类。它本质上是一种“延迟初始化”的策略，将对象的实例化过程封装起来，让你的代码在面对新产品类型时，能够更加灵活和开放，而不是每次都改动核心逻辑。在我看来，它就是一种解耦的艺术，让你的系统更健壮，更易于扩展。

解决方案

要在C++中实现一个工厂模式，我们通常会从一个抽象的产品（Product）基类开始，然后是具体的实现类。接着，我们会有一个抽象的创建者（Creator）基类，它声明一个虚的“工厂方法”（factoryMethod），这个方法负责返回一个产品。具体的创建者子类会重写这个工厂方法，来实例化并返回特定的具体产品。

我们来看一个简单的例子。假设我们正在开发一个游戏，需要创建不同类型的敌人（比如，兽人、精灵）。

#include <iostream>
#include <memory> // 用于智能指针

// 抽象产品基类
class Enemy {
public:
    virtual void attack() const = 0;
    virtual ~Enemy() = default; // 虚析构函数很重要
};

// 具体产品A
class Orc : public Enemy {
public:
    void attack() const override {
        std::cout << "Orc attacks with a heavy axe!" << std::endl;
    }
};

// 具体产品B
class Elf : public Enemy {
public:
    void attack() const override {
        std::cout << "Elf attacks with a swift arrow!" << std::endl;
    }
};

// 抽象创建者基类
class EnemyFactory {
public:
    // 核心的工厂方法，返回一个智能指针管理的产品
    virtual std::unique_ptr<Enemy> createEnemy() const = 0;
    virtual ~EnemyFactory() = default;
};

// 具体创建者A
class OrcFactory : public EnemyFactory {
public:
    std::unique_ptr<Enemy> createEnemy() const override {
        return std::make_unique<Orc>();
    }
};

// 具体创建者B
class ElfFactory : public EnemyFactory {
public:
    std::unique_ptr<Enemy> createEnemy() const override {
        return std::make_unique<Elf>();
    }
};

// 客户端代码示例
// int main() {
//     std::unique_ptr<EnemyFactory> orcFactory = std::make_unique<OrcFactory>();
//     std::unique_ptr<Enemy> orc = orcFactory->createEnemy();
//     orc->attack(); // 输出：Orc attacks with a heavy axe!

//     std::unique_ptr<EnemyFactory> elfFactory = std::make_unique<ElfFactory>();
//     std::unique_ptr<Enemy> elf = elfFactory->createEnemy();
//     elf->attack(); // 输出：Elf attacks with a swift arrow!

//     // 如果需要，可以进一步封装，让客户端通过参数选择工厂
//     // std::unique_ptr<EnemyFactory> factory;
//     // if (type == "orc") {
//     //     factory = std::make_unique<OrcFactory>();
//     // } else if (type == "elf") {
//     //     factory = std::make_unique<ElfFactory>();
//     // }
//     // auto enemy = factory->createEnemy();
//     // enemy->attack();

//     return 0;
// }

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在这个结构里，客户端代码不需要知道

Orc

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或

Elf

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的具体类型，它只与

EnemyFactory

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和

Enemy

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接口打交道。当需要一个兽人时，它请求

OrcFactory

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；需要一个精灵时，请求

ElfFactory

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。这种方式将产品创建的细节从客户端中抽离出来，让客户端代码变得更加简洁和灵活。我个人觉得，使用

std::unique_ptr

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这样的智能指针来管理

createEnemy

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返回的对象生命周期，是现代C++中非常推荐的做法，能有效避免内存泄漏问题。

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为什么在C++项目中使用工厂模式？它解决了哪些常见痛点？

在我日常的C++开发中，工厂模式出现的频率非常高，它解决的核心问题其实就围绕着“解耦”和“扩展性”这两个点。

首先，它降低了客户端与具体产品类的耦合度。想象一下，如果你的代码里充斥着

new Orc()

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、

new Elf()

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这样的语句，一旦你需要修改

Orc

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或

Elf

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的构造函数签名，或者干脆想换一种敌人类型，你就得改动所有用到这些

new

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语句的地方。这简直是灾难！工厂模式把创建对象的逻辑封装起来，客户端只需要知道它想要一个

Enemy

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接口，而不需要关心具体是哪个实现类。这就像你去餐厅点餐，你只说“我要一份主食”，而不是直接告诉厨师“我要用长粒米煮饭，然后配上牛肉和西兰花”。

其次，它极大地提升了系统的可扩展性。当你的游戏需要新增一个“巨人”敌人时，你只需要创建一个

Giant

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类和一个

GiantFactory

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类，而无需修改任何已有的客户端代码或

EnemyFactory

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接口。这完美地遵循了“开闭原则”（Open/Closed Principle），即对扩展开放，对修改关闭。这种设计在我看来，对于长期维护的项目来说，简直是福音。

此外，工厂模式还能帮助你集中管理对象的创建逻辑。如果对象的创建过程很复杂，比如需要读取配置文件、初始化多个依赖项，或者根据某些条件选择不同的实现，把这些逻辑都放在工厂里，能让你的代码更清晰、更有序。比如，你可以在工厂里决定，白天生成兽人，晚上生成精灵，这种决策逻辑就很好地被封装起来了。如果没有工厂，这些复杂的创建逻辑就会散落在代码各处，难以维护。

总的来说，工厂模式的引入，虽然可能在初期增加了几个类的定义，但从长远来看，它为你的C++项目带来了更清晰的结构、更强的可维护性和更灵活的扩展能力，这些都是在大型复杂系统中不可或缺的价值。

C++工厂模式有哪些常见的变体？（简单工厂、工厂方法、抽象工厂）

工厂模式并不是一个单一的解决方案，它根据创建对象的复杂度和灵活性需求，演变出了几种常见的变体。这几种模式各有侧重，理解它们之间的区别，能帮助你在不同场景下做出更合适的选择。

1. 简单工厂 (Simple Factory)

虽然GoF（设计模式：可复用面向对象软件的基础）书中没有将其列为正式的设计模式，但简单工厂在实际开发中非常常见。它的核心思想是一个工厂类，包含一个静态方法或者非静态方法，根据传入的参数来决定创建并返回哪种具体产品。

// 简单工厂示例
class SimpleEnemyFactory {
public:
    static std::unique_ptr<Enemy> createEnemy(const std::string& type) {
        if (type == "orc") {
            return std::make_unique<Orc>();
        } else if (type == "elf") {
            return std::make_unique<Elf>();
        } else {
            // 可以抛出异常或返回nullptr
            std::cerr << "Unknown enemy type: " << type << std::endl;
            return nullptr;
        }
    }
};

// 使用方式：
// auto orc = SimpleEnemyFactory::createEnemy("orc");
// if (orc) orc->attack();

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简单工厂的优点是实现简单，对于产品种类不多的情况，用起来非常直观。但它的缺点也很明显：当新增产品类型时，你必须修改

SimpleEnemyFactory

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的

createEnemy

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方法，这违反了开闭原则。这在我看来，就是它的“硬伤”，导致它在大规模、需要频繁扩展的系统中显得力不从心。

2. 工厂方法 (Factory Method)

这就是我们前面“解决方案”中详细介绍的模式，也是GoF设计模式中正式的工厂模式。它将产品创建的逻辑延迟到子类。每个具体产品都有一个对应的具体工厂。

它的优势在于完全符合开闭原则。当你需要添加新的产品时，你只需要添加新的产品类和新的工厂类，而无需修改现有代码。这种模式非常适合框架的开发，框架定义了抽象产品和抽象工厂，具体的应用则通过实现这些抽象来扩展。不过，它的一个潜在问题是，如果产品种类非常多，可能会导致工厂类的数量也急剧增加，形成所谓的“类爆炸”。

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3. 抽象工厂 (Abstract Factory)

抽象工厂模式提供一个接口，用于创建一系列相关或相互依赖的对象，而无需指定它们具体的类。它是一个“工厂的工厂”，用于创建“产品族”。

// 抽象产品A族
class Weapon {
public:
    virtual void use() const = 0;
    virtual ~Weapon() = default;
};
class Sword : public Weapon { /* ... */ };
class Bow : public Weapon { /* ... */ };

// 抽象产品B族
class Armor {
public:
    virtual void defend() const = 0;
    virtual ~Armor() = default;
};
class PlateArmor : public Armor { /* ... */ };
class LeatherArmor : public Armor { /* ... */ };

// 抽象工厂：创建一族产品
class AbstractGearFactory {
public:
    virtual std::unique_ptr<Weapon> createWeapon() const = 0;
    virtual std::unique_ptr<Armor> createArmor() const = 0;
    virtual ~AbstractGearFactory() = default;
};

// 具体工厂A：创建“战士”装备族
class WarriorGearFactory : public AbstractGearFactory {
public:
    std::unique_ptr<Weapon> createWeapon() const override { return std::make_unique<Sword>(); }
    std::unique_ptr<Armor> createArmor() const override { return std::make_unique<PlateArmor>(); }
};

// 具体工厂B：创建“弓箭手”装备族
class ArcherGearFactory : public AbstractGearFactory {
public:
    std::unique_ptr<Weapon> createWeapon() const override { return std::make_unique<Bow>(); }
    std::unique_ptr<Armor> createArmor() const override { return std::make_unique<LeatherArmor>(); }
};

// 使用方式：
// std::unique_ptr<AbstractGearFactory> factory = std::make_unique<WarriorGearFactory>();
// auto weapon = factory->createWeapon();
// auto armor = factory->createArmor();
// weapon->use();
// armor->defend();

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抽象工厂的强大之处在于它能确保你创建的产品是相互兼容的。比如，你总是能得到一套完整的“战士装备”或“弓箭手装备”，而不会混淆。然而，它的复杂性也更高，并且在添加新的“产品类型”（而不是新的“产品族”）时，你需要修改抽象工厂接口及其所有具体实现，这在某种程度上违反了开闭原则。所以，我一般会在需要创建一组相关对象，并且这组对象的具体实现可能会在运行时切换的场景下考虑它。

实现C++工厂模式时，有哪些潜在的陷阱或最佳实践？

在C++中实现工厂模式，虽然它提供了很多好处，但如果使用不当，也可能带来一些问题。这里我结合个人经验，谈谈一些常见的陷阱和我认为的最佳实践。

潜在的陷阱：

过度设计与类爆炸： 这大概是我见过最常见的陷阱。不是所有对象的创建都需要工厂模式。如果你的产品种类很少，且不预期会频繁变动，简单工厂甚至直接
```
new
```
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就能解决问题，引入复杂的工厂方法模式反而会增加不必要的类和接口，让代码变得臃肿。抽象工厂模式更是如此，如果你的产品之间没有强烈的“家族”关联，或者不需要创建多个产品族的变体，那么它就显得过于笨重了。
内存管理问题（裸指针）： 在C++早期，工厂方法通常返回裸指针 (
```
Product*
```
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)。这会把对象的生命周期管理责任推给客户端，非常容易导致内存泄漏。如果客户端忘记
```
delete
```
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，或者在异常发生时没有正确释放内存，问题就来了。
构造函数可见性： 有时为了强制通过工厂创建对象，我们会把产品类的构造函数设为
```
protected
```
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或
```
private
```
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。但这样一来，工厂类就必须成为产品类的友元（
```
friend
```
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），或者产品类提供
```
protected
```
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的构造函数供子类（即工厂）调用。这会增加代码的耦合性，也可能让设计变得复杂。
注册机制的复杂性： 对于更高级的工厂模式，尤其是当你希望工厂能动态地创建产品（例如，通过字符串名称），你可能会引入一个注册机制，让产品类在程序启动时自动注册到工厂。虽然这很灵活，但实现起来可能涉及静态初始化顺序、线程安全等问题，尤其是在大型项目中，这些问题可能会变得非常棘手。

最佳实践：

优先使用智能指针： 这是现代C++的基石。工厂方法应该返回
```
std::unique_ptr<Product>
```
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或
```
std::shared_ptr<Product>
```
登录后复制
。
```
std::unique_ptr
```
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适用于独占所有权，当对象离开作用域时自动销毁；
```
std::shared_ptr
```
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适用于共享所有权。这极大地简化了内存管理，避免了手动
```
delete
```
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的麻烦和潜在的错误。
按需选择工厂类型：
- 简单工厂： 适用于产品种类稳定且数量不多的情况。
- 工厂方法： 当你需要高度解耦和可扩展性，并且产品种类可能频繁增加时，它是首选。
- 抽象工厂： 当你需要创建一系列相关联的、相互依赖的产品族，并且这些产品族可能在运行时切换时，才考虑使用。不要为了一点点灵活性而过度设计。
考虑模板工厂或注册工厂：
- 模板工厂： 如果你的产品类有相似的构造函数签名，或者你希望减少具体工厂类的数量，可以考虑使用模板来创建通用工厂。
- 注册工厂（Factory Registry）： 对于需要通过运行时参数（如字符串ID）动态创建对象的场景，可以实现一个注册表（通常是
```
std::map<std::string, std::function<std::unique_ptr<Product>()>>
```
  登录后复制
  ），让产品类或其创建函数注册到这个表中。这样，你只需要一个通用的
```
createProduct(std::string type)
```
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  方法，而无需为每个产品都写一个
```
if-else if
```
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  或一个具体的工厂类。这在插件系统或配置驱动的创建中非常有用，但要小心处理注册时的生命周期和线程安全问题。
保持工厂的单一职责： 工厂的职责就是创建对象。不要让它承担过多的业务逻辑。如果对象的创建涉及复杂的业务规则，这些规则应该放在工厂之外的领域模型中，工厂只是根据这些规则的结果来创建相应的对象。
为产品提供虚析构函数： 如果你的工厂返回的是指向基类的智能指针（或裸指针），那么基类必须有一个虚析构函数 (
```
virtual ~Product() = default;
```
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)。否则，通过基类指针删除派生类对象时，只会调用基类的析构函数，导致派生类特有的资源无法释放，造成未定义行为或内存泄漏。这是C++多态性的一个基本要求，但在工厂模式中尤为关键。