C++11實現可變參數泛型抽象工廠

閔軍++羅泓

摘 要：由于抽象工廠模式有利于達到高內聚低耦合的設計目的，因此在軟件設計中得到廣泛應用。但抽象工廠模式的傳統實現方式在處理具體產品構造函數參數不同、異類組合、具體產品數量繁多的情況時，都顯得很繁瑣、很困難、復用性很低。針對這一問題，本文以抽象工廠模式為例，應用C++11新標準和泛型編程技術，提出一種C++11可變參數泛型抽象工廠的實現方式。實驗結果表明，該方式比傳統實現方式更為簡潔高效、復用性更強，優雅地實現了對產品類型可變、參數可變、異類組合的支持。該實現方式及代碼具有實用性，可應用到軟件項目中。

關鍵詞：C++11；泛型；可變參數；抽象工廠；設計模式

中圖分類號：TP311.1 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

一種設計模式就是解決某一類軟件設計問題的可復用的解決方案。設計模式的實現技術主要是多態，包括動多態和靜多態。起先使用動多態，動多態是通過繼承和虛函數實現，在運行期間，通過虛函數調用不同子類的虛成員函數來實現不同的功能。動多態的綁定是入侵性、插入式的，實現代價較高。靜多態是通過模板編程實現的，通過在編譯期間接口綁定不同的功能代碼來實現多態。傳統的靜多態可以在一定程度上提供非入侵性、非插入式的實現，降低實現代價。但是，當具體產品構造函數參數不同、需要異類組合、具體產品數量繁多時，傳統的動多態和靜多態實現起來都很繁瑣、很困難、復用性很低。

隨著技術的發展，在模板編程的基礎上進一步發展出泛型編程技術，并在C++標準庫（STL）和實際工程中得到廣泛應用[1]。針對設計模式傳統實現方式存在的問題，本文以抽象工廠模式為例，通過C++11新標準泛型編程技術，給出一種可變參數泛型抽象工廠的實現方式。

2 抽象工廠模式（Abstract factory pattern）

抽象工廠模式屬于創建型模式，其設計動機是：提供一個接口，讓該接口負責創建一系列“相關或者相互依賴的對象”，用戶無需指定工廠和產品的具體的類型、無需了解它們的具體實現，從而繞過常規的對象創建方式。

抽象工廠模式結構如圖1所示，抽象工廠將工廠和產品全部抽象化，一個抽象工廠可以生成一組抽象產品，而一個具體工廠則生成一個系列具體產品的特定組合[2]。AbstractFactory定義抽象工廠生成的一組抽象產品的接口，AbstractProductA、AbstractProductB定義某一種抽象產品的接口；具體工廠ConcreteFactory1負責創建1系列具體產品類型ProductA1、ProductB1的組合，具體工廠ConcreteFactory2負責創建2系列具體產品類型ProductA2、ProductB2的組合，依此類推。

對象創建時，用戶先創建具體工廠ConcreteFactory1或ConcreteFactory2類的對象，再用ConcreteFactory1創建1系列具體產品類型的組合，或用ConcreteFactory2創建2系列具體產品類型的組合。

3 泛型編程實現抽象工廠（Implement abstract

factory by generic programming）

抽象工廠傳統實現方式的主要弱點是類型繁瑣、類型依賴性強、可復用性弱。一個抽象工廠往往是為某一特定需求而設計，一般不能在其他場合復用。還有盡管抽象工廠可以將具體產品的創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現，沒能充分利用語言所提供的抽象特性。

在設計模式的實現技術中，泛型編程能夠提高編程效率、實現非侵入性實現，大大提高代碼復用率。在泛型的參與下，許多設計可能更為精妙、更加優雅、更具擴展性[3]。面向對象編程（OOP，Object-Oriented Programming）試圖將數據和方法封裝在一起，各種操作都與數據類型相關。泛型編程（GP，Generic Programming）則試圖將數據和方法分離開來，將類型參數化，使得同一種操作可以適用于不同數據類型，C++標準庫（STL）就是一種典型應用[4]。

4 C++11實現可變參數泛型抽象工廠（Implement

variable parameter generic abstract factory by

C++11）

通過C++11新標準泛型編程技術，能夠實現產品類型可變、參數可變、異類組合的泛型抽象工廠，當你需要特定類型抽象工廠時，可隨時復用而無需再定義專門的抽象工廠實現。

4.1 結構圖

C++11實現的可變參數泛型抽象工廠結構如圖2所示，其完整實現代碼附后。

具體實現非常簡潔，只包含兩個模板類：泛型工廠類GenericFactory、內嵌類具體產品注冊類Register。這是基于C++11新標準實現的，必須在支持C++11新標準（2011年ISO發布）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，負責存儲管理抽象工廠和各種具體工廠數據、具體產品的創建等工作[5]。在該類右上角的虛線框中，包含三個模板參數：抽象產品類AbsProduct、具體產品類標識KeyConProduct（缺省std：：string）、產品類構造函數可變參數列表0—n項...ArgTypes。最后一個模板參數便是C++11支持的可變參數類型，支持可以數目、可變類型的0—n個參數[6]，下同。不同種類的抽象工廠無需通過不同的公共基類（即傳統抽象工廠中的AbstractFactory）來表達接口的共性，能夠很優雅地實現異類集合[7]。

該類通過靜態變量和靜態函數方式實現簡單的單例模式（singleton），各種構造器都是私有的，不允許外部構造。外部只能通過調用靜態函數get_Instance獲取唯一的靜態實例unique_generic_factory。

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

4.3 具體產品注冊類Register

該類是泛型工廠類GenericFactory的內嵌類，使用內嵌類可明顯簡化設計。該類作為抽象工廠的原料和接口，用于創建和注冊具體工廠，將注冊數據存入泛型工廠類的GenericFactory：：mapConFactory。在該類右上角的虛線框中，只有一個模板參數：具體產品類ConProduct。

該類很簡單，只包括一個構造函數Register和私有靜態函數Create_ConProduct（包含可變參數列表）。該類與泛型工廠類GenericFactory的關系也很清晰，只是在創建該類對象時，由其構造函數調用泛型工廠類的GenericFactory：：get_Instance函數，將創建具體產品的Create_ConProduct函數指針存入泛型工廠類的GenericFactory：：mapConFactory。需要注意的是，該類并不實際創建具體產品對象，具體產品對象的創建，是由用戶通過調用泛型工廠類的GenericFactory：：getConProduct_shared_ptr、GenericFactory：：getConProduct_unique_ptr函數來實現的。

這里由于使用了C++11新標準提供的新技術，使得代碼更為精煉、更具擴展性。可變參數類型...ArgTypes使得該接口可以很優雅地支持具體產品類構造函數可變參數列表。智能指針shared_ptr、unique_ptr的使用實現了自動內存管理、無需delete釋放內存，share_ptr通過引用計數共享所有權，unique_ptr獨享所有權，可根據實際需要選用。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存中直接構造新元素，省去構造臨時對象、減少內存開銷，代碼更為簡潔高效。

5 實際使用（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、異類組合、具體產品數量繁多等情況的實現需求。實際使用很簡單，首先創建各種具體工廠，方法就是創建各種具體產品注冊類Register對象，將各種具體工廠的函數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調用GenericFactory：：getConProduct_shared_ptr、GenericFactory：：getConProduct_unique_ptr函數來創建各種具體產品對象。可以通過函數封裝實現抽象工廠的需要，將一系列相關產品封裝在一個函數中，實現一次性創建一系列相關產品的需要。

5.1 具體工廠構造函數的參數可變

比如，現在已定義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，實現具體工廠的注冊和具體產品的創建。Square、Circle兩個子類構造函數的參數可變，參數個數、類型都可以各不相同。這里，子類Square的構造函數有三個參數CPoint、CPoint、unsigned，子類Circle的構造函數有兩個參數CPoint、int，其結構如圖3所示。

5.2 具體工廠的異類組合

比如，跨國公司計算不同國家員工工資可能用到異類組合。假設美國員工工資包括獎金Bonus、津貼Subsidy、稅收Tax等三個部分，中國員工工資包括獎金Bonus、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實現的可變參數泛型抽象工廠，通過函數封裝不同抽象工廠的需要，便可輕松實現這種異類組合，其結構如圖4所示。

7 優點與缺點（Advantages and disadvantages）

C++11實現的可變參數泛型抽象工廠優點包括：（1）不同種類的抽象工廠無需通過不同的公共基類（也即傳統抽象工廠中的AbstractFactory）來表達接口的共性，能夠很優雅地實現異類集合；（2）通過C++11很優雅地實現具體產品類構造函數的可變參數列表；（3）通過智能指針shared_ptr、unique_ptr實現自動內存管理，無需delete釋放內存；（4）泛型編程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[8]；（5）運用C++11新特征和內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用性，可應用到軟件項目中，其他相關模式也可參照實現。其缺點是：（1）使用中編譯報錯時，理解和查錯較為困難；（2）實現代碼雖小，但生成的執行代碼可能較大。實際使用時，可根據其優缺點酌情選擇。

8 結論（Conclusion）

綜上所述，抽象工廠模式可以通過傳統的動多態和靜多態實現，也可以通過新興的泛型和模板實現。抽象工廠模式的傳統實現方式在處理具體產品構造函數參數不同、異類組合、具體產品數量繁多的情況時，都顯得很繁瑣、很困難、復用性很低。針對這一問題，本文以抽象工廠模式為例，應用C++11新標準和泛型編程技術，給出了一種C++11可變參數泛型抽象工廠的實現方式。該方式比傳統實現方式更為簡潔高效、復用性更強，優雅地實現了對產品類型可變、參數可變、異類組合的支持。

參考文獻（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.一種基于結構查詢的UML設計模式識別方法[J].計算機科學，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和模式應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[6] B Michael Wong（加），IBM XL編譯器中國開發團隊.深入理解C++11：C++11新特性解析與應用[M].北京：機械工業出版社，2013.

[7] B Gamma Erich（美），等.李英軍，等，譯.設計模式：可復用面向對象軟件的基礎[M].北京：機械工業出版社，2000.

[8] B Joshua Kerievsky（美）.楊光，劉基誠，譯.重構與模式（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.研究領域：C++程序設計，設計模式，計算機網絡.

羅 泓（1970-），女，大專，工程師.研究領域：數據分析與處理，電路設計，信息管理系統.