設計模式筆記：工廠方法模式完整解析與 C++ 實現

工廠方法模式：將物件建立延遲到子類別

工廠方法 是一種建立型設計模式，定義一個建立物件的介面，但由子類別決定實例化哪個具體類別。核心意圖：**將物件建立的責任委派給子類別，實現「開放封閉原則」**。

適用場景

• 類別無法預知必須建立哪種物件
• 類別希望由子類別指定建立的物件
• 將建立邏輯封裝在多個輔助子類別中，由客戶端選擇

模式結構與參與者

+----------------+          +------------------+
|   Product      |◄─────────| ConcreteProduct  |
| (介面/抽象類別) |  實作     | (具體產品)       |
+----------------+          +------------------+
        ▲
        | 建立
+----------------+          +-------------------+
|   Creator      |◄─────────| ConcreteCreator   |
| (抽象建立者)    |  工廠方法 | (具體建立者)     |
| +CreateProduct()|  重寫    | +CreateProduct()  |
| +GetProduct()   |          +-------------------+
+----------------+

C++ 實現：模板化解決「子類別爆炸」問題

標頭檔

#ifndef FACTORY_H
#define FACTORY_H

class Product {
public:
    virtual ~Product() = default;
};

class Creator {
public:
    Creator() : m_pProduct(nullptr) {}
    virtual ~Creator() { delete m_pProduct; }
    
    Product* GetProduct() {
        if (!m_pProduct)
            m_pProduct = CreateProduct();  // 延遲建立
        return m_pProduct;
    }
    
    virtual Product* CreateProduct() = 0;  // 純虛擬工廠方法
    
private:
    Product* m_pProduct;
};

// 模板化標準建立者：消除為每個產品寫 ConcreteCreator 的需求
template 
class StandardCreator : public Creator {
public:
    Product* CreateProduct() override {
        return new TheProduct();
    }
};

#endif

測試程式

#include "factory.h"
#include 

using namespace std;

// 客戶端只需定義具體產品類別
class MyProduct : public Product {
public:
    MyProduct() { cout << "MyProduct has been constructed!" << endl; }
};

class YourProduct : public Product {
public:
    YourProduct() { cout << "YourProduct has been constructed!" << endl; }
};

class OurProduct : public Product {
public:
    OurProduct() { cout << "OurProduct has been constructed!" << endl; }
};

int main() {
    // 使用模板化建立者，無需寫 ConcreteCreator 子類別
    StandardCreator ourCreator;
    Product* p = ourCreator.GetProduct();
    
    StandardCreator myCreator;
    p = myCreator.GetProduct();
    
    StandardCreator yourCreator;
    p = yourCreator.GetProduct();
    
    cin.get();
    return 0;
}

執行輸出

MyProduct has been constructed!
YourProduct has been constructed!
OurProduct has been constructed!

關鍵設計決策分析

1. 延遲建立

`GetProduct()` 中首次呼叫時才建立實例 (Lazy Initialization)，避免不必要的資源佔用。

2. 模板化 StandardCreator

解決「為了建立不同產品必須建立對應 ConcreteCreator 子類別」的類別爆炸問題。C++ 模板在編譯期具現化，效能零開銷。

3. 擁有權管理

`Creator` 析構函數負責刪除產品，實作簡單擁有權語意。現代 C++ 建議改用 `std::unique_ptr` 明確擁有權。

與簡單工廠、抽象工廠比較

實務擴展方向

• 參數化工廠方法：`CreateProduct(Config config)` 依配置建立不同配置的產品
• 登記式工廠：執行期動態註冊 `type_name → creator_func`，支援外掛架構
• 原型模式結合：`CreateProduct()` 透過複製原型實例建立，避免重複初始化開銷
• 智慧指標回傳：`std::unique_ptr CreateProduct()` 現代 C++ 擁有權語意

工廠方法模式透過多型將「建立什麼」與「如何使用」解耦，是框架設計中提供擴展點的基石模式。C++ 模板機制讓其實現更加優雅高效。