详解设计模式中的工厂方法模式在Python程序中的运用

程序员文章站 2022-05-06 14:59:07

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工厂方法（Factory Method）模式又称为虚拟构造器（Virtual Constructor）模式或者多态工厂（Polymorphic Factory）模式，属于类的创建型模式。在工厂方法模式中，父类负责定义创建对象的公共接口，而子类则负责生成具体的对象，这样做的目的是将类的实例化操作延迟到子类中完成，即由子类来决定究竟应该实体化哪一个类。
在简单工厂模式中，一个工厂类处于对产品类进行实例化的中心位置上，它知道每一个产品类的细节，并决定何时哪一个产品类应当被实例化。简单工厂模式的优点是能够使客户端独立于产品的创建过程，并且在系统中引入新产品时无需对客户端进行修改，缺点是当有新产品要加入到系统中时，必须对工厂类进行修改，以加入必要的处理逻辑。简单工厂模式的致命弱点就是处于核心地位的工厂类，因为一旦它无法确定要对哪个类进行实例化时，就无法使用该模式，而工厂方法模式则可以很好地避免这一问题。
考虑这样一个应用程序框架（Framework），它可以用来浏览各种格式的文档，如TXT、DOC、PDF、HTML等，设计时为了让软件的体系结构能够尽可能地通用，定义了Application和Document这两个抽象父类，客户必须通过它们的子类来处理某一具体类型的文档。例如，要想利用该框架来编写一个PDF文件浏览器，必须先定义PDFApplication和PDFDocument这两个类，它们应该分别继承于Application和Document。
Application的职责是对Document进行管理，并且在需要时创建它们，比如当用户从菜单中选择Open或者New的时候，Application就要负责创建一个Document的实例。显而易见，被实例化的特定Document子类是与具体应用相关的，因此Application无法预测哪个Document的子类将被实例化，它只知道一个新的Document何时（When）被创建，但并不知道哪种（Which）具体的Document将被创建。此时若仍坚持使用简单工厂模式会出现一个非常尴尬的局面：框架必须实例化类，但它只知道不能被实例化的抽象类。
解决的办法是使用工厂方法模式，它封装了哪一个Document子类将被创建的信息，并且能够将这些信息从框架中分离出来。如图1所示，Application的子类重新定义了Application的抽象方法createDocument()，并返回某个恰当的Document子类的实例。我们称createDocument()是一个工厂方法（factory method），因为它非常形象地描述了类的实例化过程，即负责"生产"一个对象。

简单说来，工厂方法模式的作用就是可以根据不同的条件生成各种类的实例，这些实例通常属于多个相似的类型，并且具有共同的父类。工厂方法模式将这些实例的创建过程封装了起来，从而简化了客户程序的编写，并改善了软件体系结构的可扩展性，使得将来能够以最小的代价加入新的子类。工厂方法这一模式适合在如下场合中运用：
当无法得知必须创建的对象属于哪个类的时候，或者无法得知属于哪个类的对象将被返回的时候，但前提是这些对象都符合一定的接口标准。
当一个类希望由它的子类来决定所创建的对象的时候，其目的是使程序的可扩展性更好，在加入其他类时更具弹性。
当创建对象的职责被委托给多个帮助子类（helper subclass）中的某一个，并且希望将哪个子类是代理者这一信息局部化的时候。
需要说明的是，使用工厂方法模式创建对象并不意味着一定会让代码变得更短（实事上往往更长），并且可能需要设计更多的辅助类，但它的确可以灵活地、有弹性地创建尚未确定的对象，从而简化了客户端应用程序的逻辑结构，并提高了代码的可读性和可重用性。

拿一个动物工厂来举例说明

class Animal(object):
  def eat(self, food):
    raise NotImplementedError()

class Dog(Animal):
  def eat(self, food):
    print '狗吃', food

class Cat(Animal):
  def eat(self, food):
    print '猫吃', food

class AnimalFactory(object):
  def create_animal(self):
    raise NotImplementedError()

class DogFactory(Animal):
  def create_animal(self):
    return Dog()

class CatFactory(AnimalFactory):
  def create_animal(self):
    return Cat()

def client():
  animal_factory = DogFactory()
  animal = animal_factory.create_animal()
  animal.eat('肉骨头')

  animal_factory = CatFactory()
  animal = animal_factory.create_animal()
  animal.eat('鱼骨头')

下面是简单工厂模式的实现：

class Animal(object):
  def eat(self, food):
    raise NotImplementedError()

class Dog(Animal):
  def eat(self, food):
    print '狗吃', food

class Cat(Animal):
  def eat(self, food):
    print '猫吃', food

def create_animal(name):
  if name == 'dog':
    return Dog()
  elif name == 'cat':
    return Cat()

def client():
  animal = create_animal('dog')
  animal.eat('肉骨头')
  animal = create_animal('cat')
  animal.eat('鱼骨头')

看起来工厂方法模式要复杂很多啊，也没觉得比简单工厂模式有什么好处，为什么还要用工厂方法模式呢？简单工厂模式的优点很明显，工厂函数封装了逻辑判断，客户端使用负担要小很多。相应的问题也很明显，要增加新的产品类型，就需要修改工厂函数，这违背了开闭原则。但是工厂方法模式似乎绕了一圈又回到原始时代了，下面写不就行了吗，何必外面套一层Factory：

class Animal(object):
  def eat(self, food):
    raise NotImplementedError()

class Dog(Animal):
  def eat(self, food):
    print '狗吃', food

class Cat(Animal):
  def eat(self, food):
    print '猫吃', food
def client():
  dog = Dog()
  dog.eat('肉骨头')

  cat = Cat()
  cat.eat('鱼骨头')

工厂方法模式，对于需要做强类型检查的语言比如Java、C++等在组织代码时是有好处的。对于Python这种动态语言来说，感觉体现不出太多价值，或许我还没有理解工厂方法模式的真谛。