C++ll实现可变参数泛型抽象工厂
2022-06-09
一种设计模式就是解决某一类软件设计问题的可复用的解决方案。设计模式的实现技术主要是多态，包括动多态和静多态。起先使用动多态，动多态是通过继承和虚函数实现，在运行期间，通过虚函数调用不同子类的虚成员函数来实现不同的功能。动多态的绑定是入侵性、插入式的，实现代价较高。静多态是通过模板编程实现的，通过在编译期间接口绑定不同的功能代码来实现多态。传统的静多态可以在一定程度上提供非入侵性、非插入式的实现，降低实现代价。但是，当具体产品构造函数参数不同、需要异类组合、具体产品数量繁多时，传统的动多态和静多态实现起来都很繁琐、很困难、复用性很低。
随着技术的发展，在模板编程的基础上进一步发展出泛型编程技术，并在C++标准库(STL)和实际工程中得到广泛应用[1]。针对设计模式传统实现方式存在的问题，本文以抽象工厂模式为例，通过C++11新标准泛型编程技术，给出一种可变参数泛型抽象工厂的实现方式。
2 抽象工厂模式(Abstract factory pattern)
抽象工厂模式属于创建型模式，其设计动机是：提供一个接口，让该接口负责创建一系列“相关或者相互依赖的对象”，用户无需指定工厂和产品的具体的类型、无需了解它们的具体实现，从而绕过常规的对象创建方式。
抽象工厂模式结构如图1所示，抽象工厂将工厂和产品全部抽象化，一个抽象工厂可以生成一组抽象产品，而一个具体工厂则生成一个系列具体产品的特定组合[2]。AbstractFactory定义抽象工厂生成的一组抽象产品的接口，AbstractProductA、AbstractProductB定义某一种抽象产品的接口；具体工厂ConcreteFactory1负责创建1系列具体产品类型ProductA1、ProductB1的组合，具体工厂ConcreteFactory2负责创建2系列具体产品类型ProductA2、ProductB2的组合，依此类推。
对象创建时，用户先创建具体工厂ConcreteFactory1或ConcreteFactory2类的对象，再用ConcreteFactory1创建1系列具体产品类型的组合，或用ConcreteFactory2创建2系列具体产品类型的组合。
图1 抽象工厂模式结构图
Fig.1 Structure chart of abstract factory pattern
3 泛型编程实现抽象工厂(Implement abstract
factory by generic programming)
抽象工厂传统实现方式的主要弱点是类型繁琐、类型依赖性强、可复用性弱。一个抽象工厂往往是为某一特定需求而设计，一般不能在其他场合复用。还有尽管抽象工厂可以将具体产品的创建委派给特定类型的工厂，但这种委派需要通过纯代码方式实现，没能充分利用语言所提供的抽象特性。
在设计模式的实现技术中，泛型编程能够提高编程效率、实现非侵入性实现，大大提高代码复用率。在泛型的参与下，许多设计可能更为精妙、更加优雅、更具扩展性[3]。面向对象编程(OOP，Object-Oriented Programming)试图将数据和方法封装在一起，各种操作都与数据类型相关。泛型编程(GP，Generic Programming)则试图将数据和方法分离开来，将类型参数化，使得同一种操作可以适用于不同数据类型，C++标准库(STL)就是一种典型应用[4]。
4 C++11实现可变参数泛型抽象工厂(Implement
variable parameter generic abstract factory by
C++11)
通过C++11新标准泛型编程技术，能够实现产品类型可变、参数可变、异类组合的泛型抽象工厂，当你需要特定类型抽象工厂时，可随时复用而无需再定义专门的抽象工厂实现。
4.1 结构图
C++11实现的可变参数泛型抽象工厂结构如图2所示，其完整实现代码附后。
图2 C++11实现的可变参数泛型抽象工厂结构图
Fig.2 Structure chart of implement variable parameter
generic abstract factory by C++11
具体实现非常简洁，只包含两个模板类：泛型工厂类GenericFactory、内嵌类具体产品注册类Register。这是基于C++11新标准实现的，必须在支持C++11新标准(2011年ISO发布)的编译器中才能正常编译使用，比如Visual Studio 2013等。
4.2 泛型工厂类GenericFactory
该类是该抽象工厂模式的核心，负责存储管理抽象工厂和各种具体工厂数据、具体产品的创建等工作[5]。在该类右上角的虚线框中，包含三个模板参数：抽象产品类AbsProduct、具体产品类标识KeyConProduct(缺省std::string)、产品类构造函数可变参数列表0—n项...ArgTypes。最后一个模板参数便是C++11支持的可变参数类型，支持可以数目、可变类型的0—n个参数[6]，下同。不同种类的抽象工厂无需通过不同的公共基类(即传统抽象工厂中的AbstractFactory)来表达接口的共性，能够很优雅地实现异类集合[7]。
该类通过静态变量和静态函数方式实现简单的单例模式(singleton)，各种构造器都是私有的，不允许外部构造。外部只能通过调用静态函数get_Instance获取唯一的静态实例unique_generic_factory。
该类只有一个数据成员mapConFactory，是std::map类型的私有数据成员，用于存放具体产品标识KeyConProduct和具体工厂构造函数指针ConFactoryFun组成的键值对。外部只能通过调用该类的公有函数存取mapConFactory。通过内嵌类Register类的实例化可以将数据存入mapConFactory；Unregister函数可以从mapConFactory中注销数据；getConProduct_shared_ptr、getConProduct_unique_ptr函数可以得到已注册标识为conp的类的一个实例；getSize函数可以得到已注册具体工厂的总数；getKey函数可以得到已注册索引为n的类的具体产品标识，只不过stl::map默认按键值类型自动排序(这里默认按字母顺序)，若需要控制排序方式，可以在应用程序中增加一个map<索引号,工厂标识>变量来实现。
4.3 具体产品注册类Register
该类是泛型工厂类GenericFactory的内嵌类，使用内嵌类可明显简化设计。该类作为抽象工厂的原料和接口，用于创建和注册具体工厂，将注册数据存入泛型工厂类的GenericFactory::mapConFactory。在该类右上角的虚线框中，只有一个模板参数：具体产品类ConProduct。
该类很简单，只包括一个构造函数Register和私有静态函数Create_ConProduct(包含可变参数列表)。该类与泛型工厂类GenericFactory的关系也很清晰，只是在创建该类对象时，由其构造函数调用泛型工厂类的GenericFactory::get_Instance函数，将创建具体产品的Create_ConProduct函数指针存入泛型工厂类的GenericFactory::mapConFactory。需要注意的是，该类并不实际创建具体产品对象，具体产品对象的创建，是由用户通过调用泛型工厂类的GenericFactory::getConProduct_shared_ptr、GenericFactory::getConProduct_unique_ptr函数来实现的。
这里由于使用了C++11新标准提供的新技术，使得代码更为精炼、更具扩展性。可变参数类型...ArgTypes使得该接口可以很优雅地支持具体产品类构造函数可变参数列表。智能指针shared_ptr、unique_ptr的使用实现了自动内存管理、无需delete释放内存，share_ptr通过引用计数共享所有权，unique_ptr独享所有权，可根据实际需要选用。使用C++11新特性emplace代替insert向STL容器添加新元素，可以在容器管理的内存中直接构造新元素，省去构造临时对象、减少内存开销，代码更为简洁高效。
5 实际使用(Actual use)
该泛型抽象工厂可以满足抽象工厂、简单工厂、可变参数、异类组合、具体产品数量繁多等情况的实现需求。实际使用很简单，首先创建各种具体工厂，方法就是创建各种具体产品注册类Register对象，将各种具体工厂的函数指针存入泛型工厂类的GenericFactory::mapConFactory。然后，便可以通过泛型工厂类的GenericFactory::get_Instance调用GenericFactory::getConProduct_shared_ptr、GenericFactory::getConProduct_unique_ptr函数来创建各种具体产品对象。可以通过函数封装实现抽象工厂的需要，将一系列相关产品封装在一个函数中，实现一次性创建一系列相关产品的需要。
5.1 具体工厂构造函数的参数可变
比如，现在已定义Shape基类和Square、Circle两个子类，便可以通过下面代码使用该泛型抽象工厂，实现具体工厂的注册和具体产品的创建。Square、Circle两个子类构造函数的参数可变，参数个数、类型都可以各不相同。这里，子类Square的构造函数有三个参数CPoint、CPoint、unsigned，子类Circle的构造函数有两个参数CPoint、int，其结构如图3所示。
图3 具体工厂构造函数的参数可变
Fig.3 Parameters of concrete factory constructor
are variable
5.2 具体工厂的异类组合
比如，跨国公司计算不同国家员工工资可能用到异类组合。假设美国员工工资包括奖金Bonus、津贴Subsidy、税收Tax等三个部分，中国员工工资包括奖金Bonus、津贴Subsidy、税收Tax、住房公积金Found等四个部分。使用本文给出的C++11实现的可变参数泛型抽象工厂，通过函数封装不同抽象工厂的需要，便可轻松实现这种异类组合，其结构如图4所示。
图4 具体工厂的异类组合
Fig.4 Heterogeneous combinations of concrete factory
6 泛型抽象工厂完整实现代码(Complete
implementation code of generic abstract factory)
//GenericFactory.h，泛型抽象工厂头文件
#pragma once
#include
#include
#include
//泛型工厂类GenericFactory，包含3个模板参数：
//抽象产品类、具体产品类标识的类型、产品类构造函数可变参数列表0-n项
template
class GenericFactory
{
private:
typedef AbsProduct*(*ConFactoryFun)(ArgTypes... args);
typedef std::map
MapConFac;
MapConFac m_mapConFactory;
GenericFactory(){}
GenericFactory(const GenericFactory&)=delete;
GenericFactory(GenericFactory&&)=delete;
GenericFactory operator=(const GenericFactory&
other)=delete;
public:
~GenericFactory(){}
//具体产品注册类Register，有1个模板参数：具体产品类。使用内嵌类可明显简化设计
template
class Register
{
public:
Register(const KeyConProduct& conp)
{
GenericFactory::get_Instance()->
m_mapConFactory.emplace(conp,Create_ConProduct);
}
private:
inline static AbsProduct*Create_ConProduct(ArgTypes...args)
{
return new ConProduct(args...);
}
};
bool Unregister(const KeyConProduct& conp)
{
return m_mapConFactory.erase(conp)==1;
}
std::shared_ptr
{
if(m_mapConFactory.find(conp)==m_mapConFactory.end())
return std::shared_ptr
else
return std::shared_ptr
}
std::unique_ptr
{
if(m_mapConFactory.find(conp)==m_mapConFactory.end())
return std::unique_ptr
else
return std::unique_ptr
}
unsigned getSize()
{
return m_mapConFactory.size();
}
KeyConProduct getKey(unsigned n)
{
MapConFac::iterator it=m_mapConFactory.begin();
for(inti=0;it!=m_mapConFactory.end();i++,it++)
if(n==i) return it->first;
return KeyConProduct();
}
inline static GenericFactory
{
static GenericFactory
return&unique_generic_factory;
}
};
7 优点与缺点(Advantages and disadvantages)
C++11实现的可变参数泛型抽象工厂优点包括：(1)不同种类的抽象工厂无需通过不同的公共基类(也即传统抽象工厂中的AbstractFactory)来表达接口的共性，能够很优雅地实现异类集合；(2)通过C++11很优雅地实现具体产品类构造函数的可变参数列表；(3)通过智能指针shared_ptr、unique_ptr实现自动内存管理，无需delete释放内存；(4)泛型编程在编译期对所有的绑定操作进行检查，具有更好的类型安全性[8]；(5)运用C++11新特征和内嵌类使代码更为简洁高效；(6)本文给出的方法及代码具有实用性，可应用到软件项目中，其他相关模式也可参照实现。其缺点是：(1)使用中编译报错时，理解和查错较为困难；(2)实现代码虽小，但生成的执行代码可能较大。实际使用时，可根据其优缺点酌情选择。
8 结论(Conclusion)
综上所述，抽象工厂模式可以通过传统的动多态和静多态实现，也可以通过新兴的泛型和模板实现。抽象工厂模式的传统实现方式在处理具体产品构造函数参数不同、异类组合、具体产品数量繁多的情况时，都显得很繁琐、很困难、复用性很低。针对这一问题，本文以抽象工厂模式为例，应用C++11新标准和泛型编程技术，给出了一种C++11可变参数泛型抽象工厂的实现方式。该方式比传统实现方式更为简洁高效、复用性更强，优雅地实现了对产品类型可变、参数可变、异类组合的支持。
参考文献(References)
[1] Bemardi ML,Cimitile M,Lucca GD.Design pattem detection using a DSL-driven graph matching approach[J].Journal of Software Evolution&Process,2014,26(12):1233-1266．
[2] B Rasool G,Mader P.A customizable approach to design pattems recognition based 011 feature types[J].Arabian Journal for science&Engineering,2014,39(12):8851-8873．
[3] 许涵斌,等.一种基于结构查询的UML设计模式识别方法[J].计算机科学,2014,41(11):50-55．
[4] B Matthew H.Austere(美).侯捷,译.泛型编程与STL[M].北京:中国电力出版社,2003．
[5] BLarman.C.(美).李洋,等,译.UML和模式应用[M].北京:机械工业出版社,2006．
[6] B Michael Wong(加),IBM XL编译器中国开发团队.深入理解C++11:C++11新特性解析与应用[M].北京:机械工业出版社,2013．
[7] B Gamma Erich(美),等.李英军,等,译.设计模式:可复用面向对象软件的基础[M].北京:机械工业出版社,2000．
[8] B Joshua Kerievsky(美).杨光,刘基诚,译.重构与模式(修订版)[M].北京:人民邮电出版社,2013.
作者简介：
闵 军(1966-)，男，硕士，研究员.研究领域：C++程序设计，设计模式，计算机网络.