设计模式(C++/Qt)-工厂模式

在软件开发中，对象创建是基础但关键的任务——工厂模式提供了一种优雅的解决方案，让您的代码摆脱硬编码的依赖关系

一、为什么需要工厂模式？

在C++/Qt开发中，我们经常面临这样的困境：

对象创建逻辑分散在代码各处
新增类型需要修改多处代码
对象依赖关系难以管理
单元测试难以进行

工厂模式通过封装对象创建过程，完美解决了这些问题。作为创建型设计模式的代表，它让您的代码更加灵活、可扩展且易于维护。

二、工厂模式核心概念

工厂模式的核心思想是将对象的创建与使用分离，通过专门的"工厂"类来负责对象的实例化。在C++/Qt中，我们主要使用三种工厂模式：

1. 简单工厂模式（静态工厂）

适用场景：对象种类有限且不经常变化的情况

// 抽象产品类
class Document : public QObject {
public:virtual void open() = 0;virtual void save() = 0;
};// 具体产品类
class TextDocument : public Document {
public:void open() override { qDebug() << "Opening text document..."; }void save() override { qDebug() << "Saving text document..."; }
};class SpreadsheetDocument : public Document {
public:void open() override { qDebug() << "Opening spreadsheet..."; }void save() override { qDebug() << "Saving spreadsheet..."; }
};// 简单工厂
class DocumentFactory {
public:static Document* createDocument(const QString& type) {if (type == "Text") return new TextDocument;if (type == "Spreadsheet") return new SpreadsheetDocument;return nullptr;}
};// 使用示例
Document* doc = DocumentFactory::createDocument("Text");
doc->open();
doc->save();
delete doc;

2. 工厂方法模式

适用场景：需要扩展新产品类型，且不希望修改现有代码

// 抽象创建者
class DocumentCreator {
public:virtual Document* createDocument() = 0;void processDocument() {Document* doc = createDocument();doc->open();// 处理文档...doc->save();delete doc;}
};// 具体创建者
class TextDocumentCreator : public DocumentCreator {
public:Document* createDocument() override {return new TextDocument();}
};class SpreadsheetCreator : public DocumentCreator {
public:Document* createDocument() override {return new SpreadsheetDocument();}
};// 使用示例
DocumentCreator* creator = new TextDocumentCreator();
creator->processDocument();  // 处理文本文档

3. 抽象工厂模式

适用场景：需要创建相关对象族（如不同主题的UI控件）

// 抽象工厂
class ThemeFactory {
public:virtual QPushButton* createButton() = 0;virtual QSlider* createSlider() = 0;
};// 亮色主题工厂
class LightThemeFactory : public ThemeFactory {
public:QPushButton* createButton() override {auto btn = new QPushButton("Light Button");btn->setStyleSheet("background-color: #f0f0f0; color: #333;");return btn;}QSlider* createSlider() override {auto slider = new QSlider(Qt::Horizontal);slider->setStyleSheet("QSlider::groove:horizontal { background: #e0e0e0; }");return slider;}
};// 暗色主题工厂
class DarkThemeFactory : public ThemeFactory {
public:QPushButton* createButton() override {auto btn = new QPushButton("Dark Button");btn->setStyleSheet("background-color: #333; color: #f0f0f0;");return btn;}QSlider* createSlider() override {auto slider = new QSlider(Qt::Horizontal);slider->setStyleSheet("QSlider::groove:horizontal { background: #555; }");return slider;}
};// 使用示例
void createUI(ThemeFactory* factory, QWidget* parent) {QPushButton* btn = factory->createButton();QSlider* slider = factory->createSlider();QVBoxLayout* layout = new QVBoxLayout(parent);layout->addWidget(btn);layout->addWidget(slider);
}// 根据用户设置创建主题
ThemeFactory* factory = userPrefersDarkTheme ? new DarkThemeFactory() : new LightThemeFactory();
createUI(factory, this);

三、Qt中工厂模式的典型应用场景

1. 插件系统开发

Qt的插件架构天然适合工厂模式：

// 插件接口
class PluginInterface {
public:virtual QWidget* createToolWidget(QWidget* parent) = 0;virtual QString pluginName() const = 0;
};// 主程序加载插件
void loadPlugins() {QDir pluginsDir(qApp->applicationDirPath() + "/plugins");foreach(QString fileName, pluginsDir.entryList(QDir::Files)) {QPluginLoader loader(pluginsDir.absoluteFilePath(fileName));QObject* plugin = loader.instance();if (plugin) {PluginInterface* pluginInterface = qobject_cast<PluginInterface*>(plugin);if (pluginInterface) {QWidget* tool = pluginInterface->createToolWidget(this);// 添加到界面...}}}
}

2. 跨平台组件创建

class NativeDialog {
public:virtual void show() = 0;
};#ifdef Q_OS_WIN
class WinFileDialog : public NativeDialog {
public:void show() override { /* Windows原生实现 */ }
};
#elif defined(Q_OS_MAC)
class MacFileDialog : public NativeDialog {
public:void show() override { /* macOS原生实现 */ }
};
#endifclass DialogFactory {
public:static NativeDialog* createFileDialog() {#ifdef Q_OS_WINreturn new WinFileDialog;#elif defined(Q_OS_MAC)return new MacFileDialog;#elsereturn nullptr; // 其他平台#endif}
};

3. 动态对象创建（序列化/反序列化）

class SerializableObject : public QObject {
public:virtual void serialize(QDataStream& out) = 0;virtual void deserialize(QDataStream& in) = 0;virtual QString typeName() const = 0;
};class ObjectFactory {
public:static SerializableObject* createObject(const QString& type) {if (type == "Circle") return new Circle;if (type == "Rectangle") return new Rectangle;return nullptr;}static SerializableObject* loadFromStream(QDataStream& in) {QString type;in >> type;SerializableObject* obj = createObject(type);if (obj) obj->deserialize(in);return obj;}
};

四、工厂模式的优缺点分析

✅ 优点：

解耦对象创建：将创建逻辑与业务逻辑分离
提高可扩展性：新增产品类型无需修改客户端代码
统一管理创建过程：集中控制对象的初始化逻辑
支持多态：客户端通过抽象接口操作对象
便于单元测试：可以轻松创建mock对象进行测试

⚠️ 缺点：

增加代码复杂度：引入额外的类和接口
需要额外设计：需要提前规划产品层次结构
可能违反开闭原则：简单工厂模式添加新产品需要修改工厂类

五、Qt中使用工厂模式的最佳实践

内存管理：

// 使用QObject的父子关系自动管理内存
QPushButton* createButton(QWidget* parent) {return new QPushButton("Button", parent);
}// 或者使用智能指针
std::unique_ptr<Document> createDocument() {return std::make_unique<TextDocument>();
}

注册机制：

class DocumentFactory {
public:using CreatorFunc = std::function<Document*()>;void registerCreator(const QString& type, CreatorFunc creator) {creators[type] = creator;}Document* createDocument(const QString& type) {if (creators.contains(type))return creators[type]();return nullptr;}private:QMap<QString, CreatorFunc> creators;
};// 注册文档类型
DocumentFactory factory;
factory.registerCreator("Text", []{ return new TextDocument; });
factory.registerCreator("Spreadsheet", []{ return new SpreadsheetDocument; });

与Qt元对象系统结合：

Document* createDocumentByClassName(const QString& className) {int typeId = QMetaType::type(className.toUtf8());if (typeId != QMetaType::UnknownType) {return static_cast<Document*>(QMetaType::create(typeId));}return nullptr;
}