设计模式--Note4--对象创建类

Factory Method

工厂方法

定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。Factory Method使得一个类的实例化延迟（目的：解耦，手段：虚函数）到子类。

解决什么问题

在软件系统中，经常面临着创建对象的工作；由于需求的变化，需要创建的对象的具体类型经常变化。

如何应对这种变化？如何绕过常规的对象创建方法（new），提供一种“封装机制”来避免客户程序和这种“具体对象创建工作”的紧耦合？（new导致的紧耦合）

并非消除变化，而是将变化关进笼子

结构

要点总结

1. Factory Method模式用于隔离类对象的使用者和具体类型之间的耦合关系。面对一个经常变化的具体类型，紧耦合关系（new）会导致软件的脆弱。
2. Factory Method模式通过面向对象的手法，将所要创建的具体对象工作延迟到子类，从而实现一种扩展（而非更改）的策略，较好地解决了这种紧耦合关系。
3. Factory Method模式解决“单个对象”的需求变化。缺点在于要求创建方法/参数相同。

示例：针对不同文件的分割器

// 最初实现
class MainForm : public Form {
public:
    void Button1_Click() {
        // ...

        FileSplitter* splitter = new FileSplitter();  // 此处MainForm与FileSplitter紧耦合 当需要使用其它分割器 就需要更改代码
        splitter->split();
    }
};

class FileSplitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }
}

class VideoSplitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }
}

class AudioSplitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }
}

// ...

// 进一步 当我们考虑将不同分割器设计成一个抽象基类的子类时
class MainForm : public Form {
public:
    void Button1_Click() {
        // ...

        // Splitter* = new Splitter(); // 抽象基类不能实例化
        Splitter* splitter = new FileSplitter();  // 此时并没有解决MainForm与FileSplitter紧耦合问题
        splitter->split();
    }
};

class Splitter {
public:
    virtual void split() = 0; 
};

class FileSplitter : public Splitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }
};

class VideoSplitter : public Splitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }
};

class AudioSplitter : public Splitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }
};

// ...

// 使用Factory Method
class MainForm : public Form {
private:
    SplitterFactory* splitterFactory;
public:
    MainForm(SplitterFactory* splitterFactory) {
        this->splitterFactory = splitterFactory;
    }

    void Button1_Click() {
        // ...

        Splitter* splitter = splitterFactory->CreateSplitter();  // 
        splitter->split();
    }
};

class Splitter {
public:
    virtual void split() = 0;
    virtual ~Splitter() {}
};

class FileSplitter : public Splitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }
};

class VideoSplitter : public Splitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }
};

class AudioSplitter : public Splitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }
};

class SplitterFactory {
public:
    virtual Splitter* CreateSplitter() = 0;
    virtual ~SplitterFactory() {}
};

class FileSplitterFactory : public SplitterFactory {
public:
    Splitter* CreateSplitter() {
        return new FileSplitter();
    }
}

class VideoSplitterFactory : public SplitterFactory {
public:
    Splitter* CreateSplitter() {
        return new VideoSplitter();
    }
}

class VideoSplitterFactory : public SplitterFactory {
public:
    Splitter* CreateSplitter() {
        return new VideoSplitter();
    }
}

Abstract Factory

抽象工厂

提供一个接口，让该接口负责创建一些列“相关或者相互依赖的对象”，无需指定他们具体的类。

解决什么问题

在软件系统中，经常面临着“一系列相互依赖的对象”的创建工作；同时，由于需求的变化，往往存在更多系列对象的创建工作。

如何应对这种变化？如何绕开常规的对象创建方法（new），提供一种“封装机制”来避免客户程序和这种“多系列具体对象创建工作”的紧耦合？

结构

要点总结

1. 如果没有应对”多系列对象构建“的需求变化，则没有必要使用Abstract Factory模式，这时候使用简单的工厂完全可以。
2. ”系列对象“指的是在某一特定系列下的对象之间有相互依赖、或作用的关系。不同系列的对象之间不能相互依赖。
3. Abstract Factory模式主要在于应对”新系列“的需求变动。其缺点在于难以应对”新对象“的需求变动。

示例：数据库访问接口

// 最初实现
class EmployeeDAO {
public:
    vector<EmployeeDAO> GetEmployees() {
        // 考虑到 当需求变动时 我们需要支持不同的数据库 那么应该怎么做
        SqlConnection* connection = new SqlConnection();        
        connection->ConnectionString("...");

        SqlCommand* command = new SqlCommand();
        command->SetConnection(connection);
        command->CommandText("...");

        SqlDataReader* reader = command->ExecuteReader();
        while (reader->Read()) {

        }
    }
};

// 首先想到使用Factory Method
class IDBConnection {
public:
    virtual ~IDBConnection() {}
    // 其他接口...
};
class IDBCommand {
public:
    virtual ~IDBCommand() {}
    // 其他接口...
};
class IDBDataReader {
public:
    virtual ~IDBDataReader() {}
    // 其他接口...
};

// 不同数据库支持
class SQLServerConnection : public IDBConnection {

};
class SQLServerCommand : public IDBCommand {

};
class SQLServerDataReader : public IDBDataReader {

};

class MySQLConnection : public IDBConnection {

};
class MySQLCommand : public IDBCommand {

};
class MySQLDataReader : public IDBDataReader {
    
};
// ...等其他数据库

// 此时还需要实现各个工厂
class IDBConnectionFactory {
public:
    virtual IDBConnection* createDBConnection() = 0;
    // ...
};
class IDBCommandFactory {
public:
    virtual IDBCommand* createDBCommand() = 0;
    // ...
};
class IDBDataReaderFactory {
public:
    virtual IDBDataReader* createDBDataReader() = 0;
    // ...
};

// 实现各个具体工厂
class SQLServerConnectionFactory : public IDBConnectionFactory {

};
class SQLServerCommandFactory : public IDBCommandFactory {

};
class SQLServerDataReaderFactory : public IDBDataReaderFactory {

}; 

class MySQLConnectionFactory : public IDBConnectionFactory {

};
class MySQLCommandFactory : public IDBCommandFactory {

};
class MySQLDataReaderFactory : public IDBDataReaderFactory {
    
};
// ...

class EmployeeDAO {  // 此时好像解决了具体数据库和EmployeeDAO耦合的问题，但是也引入新问题
private:
    // 如果此处 我们传入的Connecion、Command不是同一个数据库
    // 可以很明显看到 下面三个对象必须是同一个数据库 但是在这里的代码并没有保证这一点
    IDBConnectionFactory* dbConnectionFactory;
    IDBCommandFactory* dbCommandFactory;
    IDBDataReaderFactory* dbDataReaderFactory;

public:
    // ...

    vector<EmployeeDAO> GetEmployees() {
        IDBConnection* connection = dbConnectionFactory->createDBConnection();  
        connection->ConnectionString("...");

        IDBCommand* command = dbCommandFactory->createDBCommand();
        command->SetConnection(connection);
        command->CommandText("...");

        IDBDataReader* reader = command->ExecuteReader();
        while (reader->Read()) {

        }
    }
};

// 使用Abstract Factory
class IDBConnection {
public:
    virtual ~IDBConnection() {}
    // 其他接口...
};
class IDBCommand {
public:
    virtual ~IDBCommand() {}
    // 其他接口...
};
class IDBDataReader {
public:
    virtual ~IDBDataReader() {}
    // 其他接口...
};

// 不同数据库支持
class SQLServerConnection : public IDBConnection {

};
class SQLServerCommand : public IDBCommand {

};
class SQLServerDataReader : public IDBDataReader {

};

class MySQLConnection : public IDBConnection {

};
class MySQLCommand : public IDBCommand {

};
class MySQLDataReader : public IDBDataReader {
    
};
// ...等其他数据库

// 此时还需要实现各个工厂
class IDBFactory {
public:
    // 高内聚 低耦合
    // 将相关性高的放在一起 
    virtual IDBConnection* createDBConnection() = 0;
    virtual IDBCommand* createDBCommand() = 0;
    virtual IDBDataReader* createDBDataReader() = 0;
    // ...
};

// 实现各个具体工厂
class SQLServerFactory : public IDBFactory {

};

class MySQLFactory : public IDBFactory {

};

// ...

class EmployeeDAO {  
private:
    IDBFactory* dbFactory;

public:
    // ...

    vector<EmployeeDAO> GetEmployees() {
        IDBConnection* connection = dbFactory->createDBConnection();  
        connection->ConnectionString("...");

        IDBCommand* command = dbFactory->createDBCommand();
        command->SetConnection(connection);
        command->CommandText("...");

        IDBDataReader* reader = command->ExecuteReader();
        while (reader->Read()) {

        }
    }
};

Prototype

原型模式

使用原型实例指定创建对象的种类，然后通过拷贝这些原型来创建新的对象。

解决什么问题

在软件系统中，经常面临着”某些结构复杂的对象“的创建工作；由于需求的变化，这些对象经常面临着剧烈的变化，但是它们却拥有比较稳定一致的接口。

如何应对这种变化？如何向”客户程序（使用这些对象的程序）“隔离出”这些易变特性“，从而使得这些易变对象的客户程序”不随着需求的改变而改变“？

结构

要点总结

1. Prototype模式同样用于隔离类对象的使用者和具体类型（易变类 ）之间的耦合关系，它同样要求这些”易变类“拥有”稳定的接口“。
2. Prototype模式对于”如何创建易变类的实体对象“采用”原型克隆“的方法来做，它使得我们可以非常灵活地动态创建”拥有某些稳定接口“的新对象——所需工作仅仅是注册一个新类的对象（即原型），然后在任何需要的地方Clone。
3. Prototype模式中的Clone方法可以利用某些框架中的序列化来实现深拷贝。

示例：针对不同文件的分割器，对比Factory Method

对于选择Factory Method还是Prototype，如果对象可以在Factory中很简单的创建出来，就使用Factory Method，但是对于复杂对象，在创建对象时需要保留各种状态，不方便甚至难以在Factory中做到，这时选用Prototype

// 使用Prototype
class MainForm : public Form {
private:
    Splitter* prototype;
public:
    MainForm(Splitter* prototype) {
        this->prototype = prototype;
    }

    void Button1_Click() {
        // ...

        Splitter* splitter = prototype->clone();  // 克隆原型
        splitter->split();
    }
};

class Splitter {
public:
    virtual void split() = 0;
    virtual ~Splitter() {}

    virtual Splitter* clone() = 0;
};

class FileSplitter : public Splitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }

    virtual Splitter* clone() {
        return new FileSplitter(*this);
    }
};

class VideoSplitter : public Splitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }

    virtual Splitter* clone() {
        return new VideoSplitter(*this);
    }
};

class AudioSplitter : public Splitter {
public:
    void split() {
        // ...
    }

    virtual Splitter* clone() {
        return new AudioSplitter(*this);
    }
};

Builder

构建器

将一个复杂对象的构建与其表示相分离，使得同样的构建过程（稳定）可以创建不同的表示（变化）。

解决什么问题

在软件系统中，有时候面临着”一个复杂对象“的创建工作，其通常由各个部分的子对象用一定的算法构成；由于需求的变化，这个复杂对象的各个部分经常面临着剧烈的变化，但是将它们组合在一起的算法却相对稳定。

如何应对这种变化？如何提供一种”封装机制“来隔离出”复杂对象的各个部分“的变化，从而保持系统中的”稳定构建算法“不随着需求的改变而改变？

结构

要点总结

1. Builder模式主要用于”分步骤构建一个复杂的对象“。在这其中”分步骤“是一个稳定的算法，而复杂对象的各个部分则经常变化。
2. 变化点在哪里，封装哪里——Builder模式主要在于应对”复杂对象各个部分“的频繁需求变动。其缺点在于难以应对”分步骤构建算法”的需求变动。
3. 在Builder模式中，要注意不同语言中构造器内调用虚函数的差别（C++、C#）

示例：用一个类表示不同的房子，建房子的材料不同，但是步骤一致

// 初始实现
class House {
public:
    void Init() {// 稳定
        this->BuildPart1();

        for (int i = 0; i < 4; ++i) {
            this->BuildPart2();
        }

        bool flag = this->BuildPart3();

        if (flag) {
            this->BuildPart4();
        }

        this->BuildPart5();
    }

    virtual ~House() {}

protected:
    // 变化
    virtual void BuildPart1() = 0;
    virtual void BuildPart2() = 0;
    virtual void BuildPart3() = 0;
    virtual void BuildPart4() = 0;
    virtual void BuildPart5() = 0;
};

class StoneHouse : public House {
protected:
    virtual void BuildPart1() {

    }
    virtual void BuildPart2() {
        
    }
    virtual void BuildPart3() {
        
    }
    virtual void BuildPart4() {
        
    }
    virtual void BuildPart5() {
        
    }    
};

void Process {
    House* pHouse = new StoneHouse();
    pHouse->Init();
}

class House {
    // ...
};

class HouseBuilder {
public:

    House* GetResult() {
        return pHouse;
    }
    virtual ~HouseBuilder() {}

protected:
    House* pHouse;
    // 变化
    virtual void BuildPart1() = 0;
    virtual void BuildPart2() = 0;
    virtual void BuildPart3() = 0;
    virtual void BuildPart4() = 0;
    virtual void BuildPart5() = 0;
};

// 变化
class StoneHouse : public House {

};

class StoneHouseBuilder : public HouseBuilder {
protected:
    virtual void BuildPart1() {
        // pHouse->Part1 = ...
    }
    virtual void BuildPart2() {
        
    }
    virtual void BuildPart3() {
        
    }
    virtual void BuildPart4() {
        
    }
    virtual void BuildPart5() {
        
    }    
};

class HouseDirector {// 稳定
public:
    HouseDirector(HouseBuilder* pHouseBuilder) {
        this->pHouseBuilder = pHouseBuilder;
    }

    House* Construct() {// 稳定
        pHouseBuilder->BuildPart1();

        for (int i = 0; i < 4; ++i) {
            pHouseBuilder->BuildPart2();
        }

        bool flag = pHouseBuilder->BuildPart3();

        if (flag) {
            pHouseBuilder->BuildPart4();
        }

        pHouseBuilder->BuildPart5();

        return pHouseBuilder->GetResult();
    }
private:
    HouseBuilder* pHouseBuilder;
};

void Process {
    HouseBuilder* pHouseBuilder = new StoneHouseBuilder();
    HouseDirector* pHouseDirector = new HouseDirector(pHouseBuilder);
    House* pHouse = pHouseDirector->Construct();
}