C++11實(shí)現(xiàn)可變參數(shù)泛型抽象工廠

閔軍++羅泓

摘 要：由于抽象工廠模式有利于達(dá)到高內(nèi)聚低耦合的設(shè)計(jì)目的，因此在軟件設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。但抽象工廠模式的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式在處理具體產(chǎn)品構(gòu)造函數(shù)參數(shù)不同、異類組合、具體產(chǎn)品數(shù)量繁多的情況時，都顯得很繁瑣、很困難、復(fù)用性很低。針對這一問題，本文以抽象工廠模式為例，應(yīng)用C++11新標(biāo)準(zhǔn)和泛型編程技術(shù)，提出一種C++11可變參數(shù)泛型抽象工廠的實(shí)現(xiàn)方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方式比傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式更為簡潔高效、復(fù)用性更強(qiáng)，優(yōu)雅地實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)品類型可變、參數(shù)可變、異類組合的支持。該實(shí)現(xiàn)方式及代碼具有實(shí)用性，可應(yīng)用到軟件項(xiàng)目中。

關(guān)鍵詞：C++11；泛型；可變參數(shù)；抽象工廠；設(shè)計(jì)模式

中圖分類號：TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

一種設(shè)計(jì)模式就是解決某一類軟件設(shè)計(jì)問題的可復(fù)用的解決方案。設(shè)計(jì)模式的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要是多態(tài)，包括動多態(tài)和靜多態(tài)。起先使用動多態(tài)，動多態(tài)是通過繼承和虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)，在運(yùn)行期間，通過虛函數(shù)調(diào)用不同子類的虛成員函數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同的功能。動多態(tài)的綁定是入侵性、插入式的，實(shí)現(xiàn)代價較高。靜多態(tài)是通過模板編程實(shí)現(xiàn)的，通過在編譯期間接口綁定不同的功能代碼來實(shí)現(xiàn)多態(tài)。傳統(tǒng)的靜多態(tài)可以在一定程度上提供非入侵性、非插入式的實(shí)現(xiàn)，降低實(shí)現(xiàn)代價。但是，當(dāng)具體產(chǎn)品構(gòu)造函數(shù)參數(shù)不同、需要異類組合、具體產(chǎn)品數(shù)量繁多時，傳統(tǒng)的動多態(tài)和靜多態(tài)實(shí)現(xiàn)起來都很繁瑣、很困難、復(fù)用性很低。

隨著技術(shù)的發(fā)展，在模板編程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展出泛型編程技術(shù)，并在C++標(biāo)準(zhǔn)庫（STL）和實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。針對設(shè)計(jì)模式傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式存在的問題，本文以抽象工廠模式為例，通過C++11新標(biāo)準(zhǔn)泛型編程技術(shù)，給出一種可變參數(shù)泛型抽象工廠的實(shí)現(xiàn)方式。

2 抽象工廠模式（Abstract factory pattern）

抽象工廠模式屬于創(chuàng)建型模式，其設(shè)計(jì)動機(jī)是：提供一個接口，讓該接口負(fù)責(zé)創(chuàng)建一系列“相關(guān)或者相互依賴的對象”，用戶無需指定工廠和產(chǎn)品的具體的類型、無需了解它們的具體實(shí)現(xiàn)，從而繞過常規(guī)的對象創(chuàng)建方式。

抽象工廠模式結(jié)構(gòu)如圖1所示，抽象工廠將工廠和產(chǎn)品全部抽象化，一個抽象工廠可以生成一組抽象產(chǎn)品，而一個具體工廠則生成一個系列具體產(chǎn)品的特定組合[2]。AbstractFactory定義抽象工廠生成的一組抽象產(chǎn)品的接口，AbstractProductA、AbstractProductB定義某一種抽象產(chǎn)品的接口；具體工廠ConcreteFactory1負(fù)責(zé)創(chuàng)建1系列具體產(chǎn)品類型ProductA1、ProductB1的組合，具體工廠ConcreteFactory2負(fù)責(zé)創(chuàng)建2系列具體產(chǎn)品類型ProductA2、ProductB2的組合，依此類推。

對象創(chuàng)建時，用戶先創(chuàng)建具體工廠ConcreteFactory1或ConcreteFactory2類的對象，再用ConcreteFactory1創(chuàng)建1系列具體產(chǎn)品類型的組合，或用ConcreteFactory2創(chuàng)建2系列具體產(chǎn)品類型的組合。

3 泛型編程實(shí)現(xiàn)抽象工廠（Implement abstract

factory by generic programming）

抽象工廠傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式的主要弱點(diǎn)是類型繁瑣、類型依賴性強(qiáng)、可復(fù)用性弱。一個抽象工廠往往是為某一特定需求而設(shè)計(jì)，一般不能在其他場合復(fù)用。還有盡管抽象工廠可以將具體產(chǎn)品的創(chuàng)建委派給特定類型的工廠，但這種委派需要通過純代碼方式實(shí)現(xiàn)，沒能充分利用語言所提供的抽象特性。

在設(shè)計(jì)模式的實(shí)現(xiàn)技術(shù)中，泛型編程能夠提高編程效率、實(shí)現(xiàn)非侵入性實(shí)現(xiàn)，大大提高代碼復(fù)用率。在泛型的參與下，許多設(shè)計(jì)可能更為精妙、更加優(yōu)雅、更具擴(kuò)展性[3]。面向?qū)ο缶幊蹋∣OP，Object-Oriented Programming）試圖將數(shù)據(jù)和方法封裝在一起，各種操作都與數(shù)據(jù)類型相關(guān)。泛型編程（GP，Generic Programming）則試圖將數(shù)據(jù)和方法分離開來，將類型參數(shù)化，使得同一種操作可以適用于不同數(shù)據(jù)類型，C++標(biāo)準(zhǔn)庫（STL）就是一種典型應(yīng)用[4]。

4 C++11實(shí)現(xiàn)可變參數(shù)泛型抽象工廠（Implement

variable parameter generic abstract factory by

C++11）

通過C++11新標(biāo)準(zhǔn)泛型編程技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品類型可變、參數(shù)可變、異類組合的泛型抽象工廠，當(dāng)你需要特定類型抽象工廠時，可隨時復(fù)用而無需再定義專門的抽象工廠實(shí)現(xiàn)。

4.1 結(jié)構(gòu)圖

C++11實(shí)現(xiàn)的可變參數(shù)泛型抽象工廠結(jié)構(gòu)如圖2所示，其完整實(shí)現(xiàn)代碼附后。

具體實(shí)現(xiàn)非常簡潔，只包含兩個模板類：泛型工廠類GenericFactory、內(nèi)嵌類具體產(chǎn)品注冊類Register。這是基于C++11新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的，必須在支持C++11新標(biāo)準(zhǔn)（2011年ISO發(fā)布）的編譯器中才能正常編譯使用，比如Visual Studio 2013等。

4.2 泛型工廠類GenericFactory

該類是該抽象工廠模式的核心，負(fù)責(zé)存儲管理抽象工廠和各種具體工廠數(shù)據(jù)、具體產(chǎn)品的創(chuàng)建等工作[5]。在該類右上角的虛線框中，包含三個模板參數(shù)：抽象產(chǎn)品類AbsProduct、具體產(chǎn)品類標(biāo)識KeyConProduct（缺省std：：string）、產(chǎn)品類構(gòu)造函數(shù)可變參數(shù)列表0—n項(xiàng)...ArgTypes。最后一個模板參數(shù)便是C++11支持的可變參數(shù)類型，支持可以數(shù)目、可變類型的0—n個參數(shù)[6]，下同。不同種類的抽象工廠無需通過不同的公共基類（即傳統(tǒng)抽象工廠中的AbstractFactory）來表達(dá)接口的共性，能夠很優(yōu)雅地實(shí)現(xiàn)異類集合[7]。

該類通過靜態(tài)變量和靜態(tài)函數(shù)方式實(shí)現(xiàn)簡單的單例模式（singleton），各種構(gòu)造器都是私有的，不允許外部構(gòu)造。外部只能通過調(diào)用靜態(tài)函數(shù)get_Instance獲取唯一的靜態(tài)實(shí)例unique_generic_factory。

該類只有一個數(shù)據(jù)成員mapConFactory，是std：：map類型的私有數(shù)據(jù)成員，用于存放具體產(chǎn)品標(biāo)識KeyConProduct和具體工廠構(gòu)造函數(shù)指針ConFactoryFun組成的鍵值對。外部只能通過調(diào)用該類的公有函數(shù)存取mapConFactory。通過內(nèi)嵌類Register類的實(shí)例化可以將數(shù)據(jù)存入mapConFactory；Unregister函數(shù)可以從mapConFactory中注銷數(shù)據(jù)；getConProduct_shared_ptr、getConProduct_unique_ptr函數(shù)可以得到已注冊標(biāo)識為conp的類的一個實(shí)例；getSize函數(shù)可以得到已注冊具體工廠的總數(shù)；getKey函數(shù)可以得到已注冊索引為n的類的具體產(chǎn)品標(biāo)識，只不過stl：：map默認(rèn)按鍵值類型自動排序（這里默認(rèn)按字母順序），若需要控制排序方式，可以在應(yīng)用程序中增加一個map<索引號，工廠標(biāo)識>變量來實(shí)現(xiàn)。

4.3 具體產(chǎn)品注冊類Register

該類是泛型工廠類GenericFactory的內(nèi)嵌類，使用內(nèi)嵌類可明顯簡化設(shè)計(jì)。該類作為抽象工廠的原料和接口，用于創(chuàng)建和注冊具體工廠，將注冊數(shù)據(jù)存入泛型工廠類的GenericFactory：：mapConFactory。在該類右上角的虛線框中，只有一個模板參數(shù)：具體產(chǎn)品類ConProduct。

該類很簡單，只包括一個構(gòu)造函數(shù)Register和私有靜態(tài)函數(shù)Create_ConProduct（包含可變參數(shù)列表）。該類與泛型工廠類GenericFactory的關(guān)系也很清晰，只是在創(chuàng)建該類對象時，由其構(gòu)造函數(shù)調(diào)用泛型工廠類的GenericFactory：：get_Instance函數(shù)，將創(chuàng)建具體產(chǎn)品的Create_ConProduct函數(shù)指針存入泛型工廠類的GenericFactory：：mapConFactory。需要注意的是，該類并不實(shí)際創(chuàng)建具體產(chǎn)品對象，具體產(chǎn)品對象的創(chuàng)建，是由用戶通過調(diào)用泛型工廠類的GenericFactory：：getConProduct_shared_ptr、GenericFactory：：getConProduct_unique_ptr函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

這里由于使用了C++11新標(biāo)準(zhǔn)提供的新技術(shù)，使得代碼更為精煉、更具擴(kuò)展性?？勺儏?shù)類型...ArgTypes使得該接口可以很優(yōu)雅地支持具體產(chǎn)品類構(gòu)造函數(shù)可變參數(shù)列表。智能指針shared_ptr、unique_ptr的使用實(shí)現(xiàn)了自動內(nèi)存管理、無需delete釋放內(nèi)存，share_ptr通過引用計(jì)數(shù)共享所有權(quán)，unique_ptr獨(dú)享所有權(quán)，可根據(jù)實(shí)際需要選用。使用C++11新特性emplace代替insert向STL容器添加新元素，可以在容器管理的內(nèi)存中直接構(gòu)造新元素，省去構(gòu)造臨時對象、減少內(nèi)存開銷，代碼更為簡潔高效。

5 實(shí)際使用（Actual use）

該泛型抽象工廠可以滿足抽象工廠、簡單工廠、可變參數(shù)、異類組合、具體產(chǎn)品數(shù)量繁多等情況的實(shí)現(xiàn)需求。實(shí)際使用很簡單，首先創(chuàng)建各種具體工廠，方法就是創(chuàng)建各種具體產(chǎn)品注冊類Register對象，將各種具體工廠的函數(shù)指針存入泛型工廠類的GenericFactory：：mapConFactory。然后，便可以通過泛型工廠類的GenericFactory：：get_Instance調(diào)用GenericFactory：：getConProduct_shared_ptr、GenericFactory：：getConProduct_unique_ptr函數(shù)來創(chuàng)建各種具體產(chǎn)品對象?？梢酝ㄟ^函數(shù)封裝實(shí)現(xiàn)抽象工廠的需要，將一系列相關(guān)產(chǎn)品封裝在一個函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)一次性創(chuàng)建一系列相關(guān)產(chǎn)品的需要。

5.1 具體工廠構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)可變

比如，現(xiàn)在已定義Shape基類和Square、Circle兩個子類，便可以通過下面代碼使用該泛型抽象工廠，實(shí)現(xiàn)具體工廠的注冊和具體產(chǎn)品的創(chuàng)建。Square、Circle兩個子類構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)可變，參數(shù)個數(shù)、類型都可以各不相同。這里，子類Square的構(gòu)造函數(shù)有三個參數(shù)CPoint、CPoint、unsigned，子類Circle的構(gòu)造函數(shù)有兩個參數(shù)CPoint、int，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5.2 具體工廠的異類組合

比如，跨國公司計(jì)算不同國家員工工資可能用到異類組合。假設(shè)美國員工工資包括獎金B(yǎng)onus、津貼Subsidy、稅收Tax等三個部分，中國員工工資包括獎金B(yǎng)onus、津貼Subsidy、稅收Tax、住房公積金Found等四個部分。使用本文給出的C++11實(shí)現(xiàn)的可變參數(shù)泛型抽象工廠，通過函數(shù)封裝不同抽象工廠的需要，便可輕松實(shí)現(xiàn)這種異類組合，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

7 優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)（Advantages and disadvantages）

C++11實(shí)現(xiàn)的可變參數(shù)泛型抽象工廠優(yōu)點(diǎn)包括：（1）不同種類的抽象工廠無需通過不同的公共基類（也即傳統(tǒng)抽象工廠中的AbstractFactory）來表達(dá)接口的共性，能夠很優(yōu)雅地實(shí)現(xiàn)異類集合；（2）通過C++11很優(yōu)雅地實(shí)現(xiàn)具體產(chǎn)品類構(gòu)造函數(shù)的可變參數(shù)列表；（3）通過智能指針shared_ptr、unique_ptr實(shí)現(xiàn)自動內(nèi)存管理，無需delete釋放內(nèi)存；（4）泛型編程在編譯期對所有的綁定操作進(jìn)行檢查，具有更好的類型安全性[8]；（5）運(yùn)用C++11新特征和內(nèi)嵌類使代碼更為簡潔高效；（6）本文給出的方法及代碼具有實(shí)用性，可應(yīng)用到軟件項(xiàng)目中，其他相關(guān)模式也可參照實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是：（1）使用中編譯報(bào)錯時，理解和查錯較為困難；（2）實(shí)現(xiàn)代碼雖小，但生成的執(zhí)行代碼可能較大。實(shí)際使用時，可根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)酌情選擇。

8 結(jié)論（Conclusion）

綜上所述，抽象工廠模式可以通過傳統(tǒng)的動多態(tài)和靜多態(tài)實(shí)現(xiàn)，也可以通過新興的泛型和模板實(shí)現(xiàn)。抽象工廠模式的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式在處理具體產(chǎn)品構(gòu)造函數(shù)參數(shù)不同、異類組合、具體產(chǎn)品數(shù)量繁多的情況時，都顯得很繁瑣、很困難、復(fù)用性很低。針對這一問題，本文以抽象工廠模式為例，應(yīng)用C++11新標(biāo)準(zhǔn)和泛型編程技術(shù)，給出了一種C++11可變參數(shù)泛型抽象工廠的實(shí)現(xiàn)方式。該方式比傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式更為簡潔高效、復(fù)用性更強(qiáng)，優(yōu)雅地實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)品類型可變、參數(shù)可變、異類組合的支持。

參考文獻(xiàn)（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] 許涵斌，等.一種基于結(jié)構(gòu)查詢的UML設(shè)計(jì)模式識別方法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2014，41（11）：50-55.

[4] B Matthew H.Austere（美）.侯捷，譯.泛型編程與STL[M].北京：中國電力出版社，2003.

[5] BLarman.C.（美）.李洋，等，譯.UML和模式應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[6] B Michael Wong（加），IBM XL編譯器中國開發(fā)團(tuán)隊(duì).深入理解C++11：C++11新特性解析與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[7] B Gamma Erich（美），等.李英軍，等，譯.設(shè)計(jì)模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[8] B Joshua Kerievsky（美）.楊光，劉基誠，譯.重構(gòu)與模式（修訂版）[M].北京：人民郵電出版社，2013.

作者簡介：

閔 軍（1966-），男，碩士，研究員.研究領(lǐng)域：C++程序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)模式，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò).

羅 泓（1970-），女，大專，工程師.研究領(lǐng)域：數(shù)據(jù)分析與處理，電路設(shè)計(jì)，信息管理系統(tǒng).