一种基于泛型的工厂方法模式实现方法

陈 辉

（浙江商业职业技术学院信息技术学院，浙江 杭州310053）

0 引言

设计模式是对于某一类的软件设计问题的可重用的解决方案。[1]在软件开发中，其主要作用为：重用设计、共用词汇、方便交流、易于重构。一个模式有四个基本要素：1）模式名称，用于描述模式的问题、解决方案和效果；2）问题，用于解释设计问题和问题存在的前因后果；3）解决方案，描述设计的组成部分、相互关系及其各种的职责和协作方式；4）效果，描述模式应用的效果和使用模式应权衡的问题。[2]设计模式主要分为创建型、结构型、行为型，工厂方法模式是创建型模式之一，其意图是“让子类决定实例化具体的类”。

在面向对象程序设计中，封装变化最主要的技术是多态。多态是同一实体同时具有多种形式，即同一操作作用于不同的对象，产生不同的执行结果。多态分为动多态、静多态。动多态是通过继承和虚函数来实现的，在运行期间，虚函数调用不同子类型的虚成员函数以实现不同的功能。静多态是通过泛型中模板实现的，在编译期间，接口绑定不同的功能代码。

当前，设计模式的实现技术是使用动多态，即继承与虚函数（接口与实现）。其主要的问题是，接口必须在公共基类中预先设定，动多态的绑定是入侵性的或者插入式的。针对这一问题，本文以工厂方法模式为例，使用静多态给出非入侵性或非插入式的实现。

1 工厂方法模式

工厂方法模式是对象创建型模式，其意图是：定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化具体的类，工厂方法将类的实例化延迟到子类。

工厂方法模式结构图如图1，[3]其参与者分别为：Product定义工厂方法所创建的对象的接口；ConcreteProduct实现Product的接口；Creator定义工厂方法，其返回一个Product类型的对象，Creator也可以定义一个工厂方法的缺省实现以返回一个缺省的ConcreteProduct实现；ConcreteCreator重定义工厂方法以返回一个ConcreteProduct对象。对象协作中，Creator依赖子类来定义工厂方法，其返回ConcreteProduct实例对象。

图1 工厂方法模式结构图

2 泛型与模板

泛型是现代程序设计语言的一种特性。泛型是一种特殊的类型，其将指定类型的工作延迟到客户端代码声明并实例化类或方法的时候，泛型将类型参数化以达到代码复用的目的，从而提高软件开发工作效率。

不同的语言支持的泛型的特性不同。.NET泛型是具有占位符（类型参数）的类、结构、接口和方法，这些占位符是类、结构、接口和方法所存储或使用的一个或多个类型的占位符。泛型集合类可以将类型参数用作其所存储的对象的类型的占位符；类型参数作为其字段的类型及其方法的参数类型出现。泛型方法可以将其类型参数用作其返回值的类型或者其某个形参的类型。Java泛型的参数只代表类，不能代表个别对象。由于Java泛型的类型参数之实际类型在编译时会被消除，所以无法在运行时得知其类型参数的类型。Java编译器在编译泛型时会自动加入类型转换的编码，因此其运行速度不会因为使用泛型而加快。[4]在C++中，泛型即模板，其无法对泛型的类型参数进行约束，在编译时，每个使用的封闭泛型类型都有独立的编码产生，编译器确保其类型安全性。[5]C++模板有两种类型，函数模板与类模板。下面以C++模板为例，给出工厂方法模式的实现方法。

3 泛型实现工厂方法模式

基于泛型的静多态为实现设计模式提供了新方法。静多态的实现类型在编译期中确定，从而可以避免使用指针，其具备更好的类型安全性，更高的效率。下面是其实现结构图（图2）。

图2 基于泛型的工厂方法模式结构图

在基于泛型的工厂方法模式实现中，由于基类变成泛型，实现了非入侵性或非插入式的绑定。同时，基于静多态的实现代码数量也减小。

4 优点与缺点

基于泛型的工厂方法模式具有以下优点：1）无需通过公共基类来表达接口的共性，更便于实现内建类型的集合；2）不通过指针进行间接调用，生成的代码效率较高；3）对于提供部分接口的具体类型也可以调用；4）静多态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。其缺点是：1）不能优雅地处理异类集合；2）实现代码虽小，但可执行生成代码较大；具体实现中，可根据其优缺点进行选择。

5 结束语

综上所述，工厂方法模式可通过继承与虚函数实现，也可通过泛型和模板实现。不同封装变化的技术可以实现相同的功能，本文给出了工厂方法模式基于泛型的实现方法及代码，其他模式也可通过泛型实现。

［1］Gamma Erich.设计模式可复用面向对象软件的基础[M].北京:北京机械工业出版,2000.

［2］拉尔曼.UML和模式应用:面向对象分析与设计导论[M].北京:北京机械工业出版社,2001.

［3］Shalloway Alan.设计模式解析[M].北京:中国电力出版社,2003.

［4］Wu T C.Java面向对象程序设计[M].2版.北京:清华大学出版社,2002.

［5］[美]MatthewH.Austern著,侯捷译.泛型编程与 STL[M].中国电力出版社,2003.