一種基于泛型的工廠方法模式實現方法

陳 輝

（浙江商業職業技術學院信息技術學院，浙江 杭州310053）

0 引言

設計模式是對于某一類的軟件設計問題的可重用的解決方案。[1]在軟件開發中，其主要作用為：重用設計、共用詞匯、方便交流、易于重構。一個模式有四個基本要素：1）模式名稱，用于描述模式的問題、解決方案和效果；2）問題，用于解釋設計問題和問題存在的前因后果；3）解決方案，描述設計的組成部分、相互關系及其各種的職責和協作方式；4）效果，描述模式應用的效果和使用模式應權衡的問題。[2]設計模式主要分為創建型、結構型、行為型，工廠方法模式是創建型模式之一，其意圖是“讓子類決定實例化具體的類”。

在面向對象程序設計中，封裝變化最主要的技術是多態。多態是同一實體同時具有多種形式，即同一操作作用于不同的對象，產生不同的執行結果。多態分為動多態、靜多態。動多態是通過繼承和虛函數來實現的，在運行期間，虛函數調用不同子類型的虛成員函數以實現不同的功能。靜多態是通過泛型中模板實現的，在編譯期間，接口綁定不同的功能代碼。

當前，設計模式的實現技術是使用動多態，即繼承與虛函數（接口與實現）。其主要的問題是，接口必須在公共基類中預先設定，動多態的綁定是入侵性的或者插入式的。針對這一問題，本文以工廠方法模式為例，使用靜多態給出非入侵性或非插入式的實現。

1 工廠方法模式

工廠方法模式是對象創建型模式，其意圖是：定義一個用于創建對象的接口，讓子類決定實例化具體的類，工廠方法將類的實例化延遲到子類。

工廠方法模式結構圖如圖1，[3]其參與者分別為：Product定義工廠方法所創建的對象的接口；ConcreteProduct實現Product的接口；Creator定義工廠方法，其返回一個Product類型的對象，Creator也可以定義一個工廠方法的缺省實現以返回一個缺省的ConcreteProduct實現；ConcreteCreator重定義工廠方法以返回一個ConcreteProduct對象。對象協作中，Creator依賴子類來定義工廠方法，其返回ConcreteProduct實例對象。

圖1 工廠方法模式結構圖

2 泛型與模板

泛型是現代程序設計語言的一種特性。泛型是一種特殊的類型，其將指定類型的工作延遲到客戶端代碼聲明并實例化類或方法的時候，泛型將類型參數化以達到代碼復用的目的，從而提高軟件開發工作效率。

不同的語言支持的泛型的特性不同。.NET泛型是具有占位符（類型參數）的類、結構、接口和方法，這些占位符是類、結構、接口和方法所存儲或使用的一個或多個類型的占位符。泛型集合類可以將類型參數用作其所存儲的對象的類型的占位符；類型參數作為其字段的類型及其方法的參數類型出現。泛型方法可以將其類型參數用作其返回值的類型或者其某個形參的類型。Java泛型的參數只代表類，不能代表個別對象。由于Java泛型的類型參數之實際類型在編譯時會被消除，所以無法在運行時得知其類型參數的類型。Java編譯器在編譯泛型時會自動加入類型轉換的編碼，因此其運行速度不會因為使用泛型而加快。[4]在C++中，泛型即模板，其無法對泛型的類型參數進行約束，在編譯時，每個使用的封閉泛型類型都有獨立的編碼產生，編譯器確保其類型安全性。[5]C++模板有兩種類型，函數模板與類模板。下面以C++模板為例，給出工廠方法模式的實現方法。

3 泛型實現工廠方法模式

基于泛型的靜多態為實現設計模式提供了新方法。靜多態的實現類型在編譯期中確定，從而可以避免使用指針，其具備更好的類型安全性，更高的效率。下面是其實現結構圖（圖2）。

圖2 基于泛型的工廠方法模式結構圖

在基于泛型的工廠方法模式實現中，由于基類變成泛型，實現了非入侵性或非插入式的綁定。同時，基于靜多態的實現代碼數量也減小。

4 優點與缺點

基于泛型的工廠方法模式具有以下優點：1）無需通過公共基類來表達接口的共性，更便于實現內建類型的集合；2）不通過指針進行間接調用，生成的代碼效率較高；3）對于提供部分接口的具體類型也可以調用；4）靜多態在編譯期對所有的綁定操作進行檢查，具有更好的類型安全性。其缺點是：1）不能優雅地處理異類集合；2）實現代碼雖小，但可執行生成代碼較大；具體實現中，可根據其優缺點進行選擇。

5 結束語

綜上所述，工廠方法模式可通過繼承與虛函數實現，也可通過泛型和模板實現。不同封裝變化的技術可以實現相同的功能，本文給出了工廠方法模式基于泛型的實現方法及代碼，其他模式也可通過泛型實現。

［1］Gamma Erich.設計模式可復用面向對象軟件的基礎[M].北京:北京機械工業出版,2000.

［2］拉爾曼.UML和模式應用:面向對象分析與設計導論[M].北京:北京機械工業出版社,2001.

［3］Shalloway Alan.設計模式解析[M].北京:中國電力出版社,2003.

［4］Wu T C.Java面向對象程序設計[M].2版.北京:清華大學出版社,2002.

［5］[美]MatthewH.Austern著,侯捷譯.泛型編程與 STL[M].中國電力出版社,2003.