【设计模式】 工厂模式介绍及C代码实现

背景

  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？

定义

  工厂模式是一种创建型设计模式，它提供一种通用的接口来创建对象，但是让子类决定实例化哪个类。工厂模式将对象的创建过程封装在一个工厂类中，避免直接调用构造函数，提高代码的灵活性和可维护性。工厂模式实现了依赖倒置原则，即面向接口编程而不是面向实现编程。

  在工厂模式中，有一个抽象工厂接口，定义了工厂类应该实现的方法，以及一组产品接口，定义了工厂类应该创建的产品的通用行为。具体的工厂类实现了抽象工厂接口，用于创建具体的产品对象。

  工厂模式可以分为三种不同的类型：简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式。简单工厂模式只有一个工厂类，它根据传入的参数来决定创建哪种类型的产品对象。工厂方法模式定义一个抽象工厂接口和一组产品接口，每个具体的工厂类实现了抽象工厂接口，并创建了一组具体的产品对象。抽象工厂模式定义一组抽象工厂接口和一组抽象产品接口，每个具体的工厂类实现了一组抽象工厂接口，每个具体的产品类实现了一组抽象产品接口。

应用场景

工厂模式适用于以下场景：

• 需要创建复杂对象的场景，可以使用工厂模式将对象的创建过程封装起来，避免直接调用构造函数；
• 需要提供统一的接口来创建一组相关对象的场景，可以使用工厂模式将相关对象的创建过程统一起来；
• 需要避免使用 new 关键字来创建对象的场景，可以使用工厂模式来代替直接调用构造函数。
    总的来说，工厂模式是一种非常常用的设计模式，可以提高代码的可维护性、灵活性和可扩展性，因此在各种编程语言中都得到了广泛的应用。

模式结构

实现步骤

工厂模式的实现步骤如下：

1. 定义一个抽象产品接口，用于定义一组产品的通用行为。

2. 定义一个具体产品类，实现抽象产品接口，用于提供具体的产品实现。

3. 定义一个抽象工厂接口，用于定义工厂类应该实现的方法。

4. 定义一个具体工厂类，实现抽象工厂接口，用于创建具体的产品对象。

5. 在客户端代码中使用工厂类创建具体的产品对象。

C语言代码示例

下面是一个简单的 C 语言工厂模式的示例代码，用于创建不同类型的车辆对象：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>typedef enum {SEDAN,SUV,HATCHBACK
} CarType;typedef struct {int price;char* model;
} Car;Car* createCar(CarType type) {Car* car = (Car*) malloc(sizeof(Car));if (car == NULL) {return NULL;}switch (type) {case SEDAN:car->price = 20000;car->model = "Sedan Car";break;case SUV:car->price = 30000;car->model = "SUV Car";break;case HATCHBACK:car->price = 15000;car->model = "Hatchback Car";break;default:printf("Invalid car type.\n");free(car);return NULL;}return car;
}int main() {Car* sedan = createCar(SEDAN);printf("Price of %s is %d.\n", sedan->model, sedan->price);free(sedan);Car* suv = createCar(SUV);printf("Price of %s is %d.\n", suv->model, suv->price);free(suv);Car* hatchback = createCar(HATCHBACK);printf("Price of %s is %d.\n", hatchback->model, hatchback->price);free(hatchback);Car* invalid = createCar(100);if (invalid == NULL) {printf("Failed to create invalid car.\n");}return 0;
}

  在上面的示例代码中，我们定义了一个 Car 结构体表示车辆，包含价格和型号两个属性，以及一个 CarType 枚举类型表示不同类型的车辆。
  createCar 函数是工厂函数，接受一个 CarType 参数，根据不同的类型创建不同的车辆对象，并返回指向 Car 结构体的指针。在 main 函数中，我们调用 createCar 函数创建不同类型的车辆对象，并输出其价格和型号。注意，当传入无效的 CarType 参数时，createCar 函数会返回 NULL。最后，我们需要手动释放 createCar 函数中使用 malloc 函数动态分配的内存。

总结

  使用工厂模式可以提高代码的可维护性和可扩展性。当需要新增产品时，只需要增加相应的产品类和工厂类，而无需修改客户端代码。当需要替换产品实现时，只需要修改相应的产品类和工厂类即可，而无需修改客户端代码。

• 工厂设计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。
• 工厂设计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。
• 工厂设计模式解决“单个对象”的需求变化。缺点在于要求创建方法/参数相同。

需要注意的是，过度使用工厂模式会增加代码的复杂性和额外的开销。因此，在实际使用时应该根据具体情况进行选择，选择最适合的实现方式。