大話設計模式學習筆記：簡單工廠模式 C++ 實作與 UML 解析

簡單工廠模式屬創建型模式，由一個工廠類別根據參數決定具體產品類別的實例化。本文以計算機為例，展示 C++ 實作、UML 類別圖對應、擴展性分析與現代 C++ 改良建議 (智慧指標、註冊表模式)。

模式角色對應

C++ 核心實作

#include <iostream>
#include <memory>      // unique_ptr
#include <limits>      // numeric_limits
using namespace std;

// 抽象產品
class Operation {
public:
    virtual ~Operation() = default;
    double numA = 0, numB = 0;
    virtual double GetResult() const = 0;
};

// 具體產品
class OperationAdd : public Operation {
public:
    double GetResult() const override { return numA + numB; }
};
class OperationSub : public Operation {
public:
    double GetResult() const override { return numA - numB; }
};
class OperationMul : public Operation {
public:
    double GetResult() const override { return numA * numB; }
};
class OperationDiv : public Operation {
public:
    double GetResult() const override {
        return (numB == 0) ? numeric_limits<double>::max() : numA / numB;
    }
};

// 簡單工廠
class OperationFactory {
public:
    static unique_ptr<Operation> Create(char op) {
        switch (op) {
            case '+': return make_unique<OperationAdd>();
            case '-': return make_unique<OperationSub>();
            case '*': return make_unique<OperationMul>();
            case '/': return make_unique<OperationDiv>();
            default:  return nullptr;
        }
    }
};

客戶端使用

int main() {
    double a, b; char op;
    cout << "輸入運算式 (如 3 + 4)：";
    cin >> a >> op >> b;

    auto oper = OperationFactory::Create(op);
    if (!oper) { cerr << "不支援的運算子\n"; return 1; }

    oper->numA = a; oper->numB = b;
    cout << "結果：" << oper->GetResult() << endl;
    return 0;  // unique_ptr 自動釋放
}

UML 類別圖 (文字版)

+----------------+       +---------------------+
|   Operation    |<------|  OperationFactory   |
|----------------|       |---------------------|
| +numA: double  |       | +Create(char):      |
| +numB: double  |       |   unique_ptr    |
| +GetResult()=0 |       +---------------------+
+-------^--------+
        |
  +-----+-----+-----+-----+
  |     |     |     |     |
 Add  Sub   Mul   Div   (擴充)

優缺點分析

現代 C++ 改良方向

1. 智慧指標：回傳 unique_ptr 明確所有權，避免記憶體洩漏。
2. 註冊表模式：產品類別靜態註冊至 map<string, creator_func>，新增產品零修改工廠原始碼。
3. 參數化建構：工廠方法接受 std::any 或 variant 參數包，轉發至建構子。

適用場景

• 產品種類較少、固定，客戶端不需知道具體類別名稱。
• 建立邏輯單純 (單純 new)，無複雜初始化依賴。
• 作為工廠方法模式、抽象工廠模式的學習入門基石。

總結

簡單工廠模式以「集中建立、介面解耦」為核心價值。掌握其結構後，理解為何需進化為「工廠方法」 (去中心化建立) 與「抽象工廠」 (產品族建立)，即可建立完整創建型模式知識體系。現代 C++ 實作請善用 unique_ptr、make_unique 與註冊表模式提升擴展性與安全性。