Название и классификация паттерна. Абстрактная фабрика - паттерн, порождающий объекты

Абстрактная фабрика - паттерн, порождающий объекты.

Назначение

Предоставляет интерфейс для создания семейств взаимосвязанных или взаимозависимых объектов, не специфицируя их конкретных классов.

Известен также под именем

Kit (инструментарий).

Мотивация

Рассмотрим инструментальную программу для создания пользовательского интерфейса, поддерживающего разные стандарты внешнего облика, например Motif и Presentation Manager. Внешний облик определяет визуальное представление и поведение элементов пользовательского интерфейса («виджетов») – полос прокрутки, окон и кнопок. Чтобы приложение можно было перенести на другой стандарт, в нем не должен быть жестко закодирован внешний облик виджетов.

Если инстанцирование классов для конкретного внешнего облика разбросано по всему приложению, то изменить облик впоследствии будет нелегко.

Мы можем решить эту проблему, определив абстрактный класс WidgetFac tory, в котором объявлен интерфейс для создания всех основных видов виджетов.

Есть также абстрактные классы для каждого отдельного вида и конкретные подклассы, реализующие виджеты с определенным внешним обликом. В интерфейсе WidgetFactory имеется операция, возвращающая новый объект-виджет для каждого абстрактного класса виджетов. Клиенты вызывают эти операции для получения экземпляров виджетов, но при этом ничего не знают о том, какие именно классы используют. Стало быть, клиенты остаются независимыми от выбранного стандарта внешнего облика.

Для каждого стандарта внешнего облика существует определенный подкласс WidgetFactory. Каждый такой подкласс реализует операции, необходимые для создания соответствующего стандарту виджета. Например, операция Great eScrollBar в классе Mot if Widget Fac tory инстанцирует и возвращает полосу прокрутки в стандарте Motif, тогда как соответствующая операция в классе PMWidgetFactory возвращает полосу прокрутки в стандарте Presentation Manager. Клиенты создают виджеты, пользуясь исключительно интерфейсом WidgetFactory, и им ничего не известно о классах, реализующих виджеты для конкретного стандарта.

Другими словами, клиенты должны лишь придерживаться интерфейса, определенного абстрактным, а не конкретным классом.

Класс Widget Factory также устанавливает зависимости между конкретными классами виджетов. Полоса прокрутки для Motif должна использоваться с кнопкой и текстовым полем Motif, и это ограничение поддерживается автоматически, как следствие использования класса Mot ifWidgetFactory.

Применимость

Используйте паттерн абстрактная фабрика, когда:

- система не должна зависеть от того, как создаются, компонуются и представляются входящие в нее объекты;

- входящие в семейство взаимосвязанные объекты должны использоваться вместе и вам необходимо обеспечить выполнение этого ограничения;

- система должна конфигурироваться одним из семейств составляющих ее объектов;

а вы хотите предоставить библиотеку объектов, раскрывая только их интерфейсы, но не реализацию.

Структура

Участники

- AbstractFactory(WidgetFactory) - абстрактная фабрика:

- объявляет интерфейс для операций, создающих абстрактные объекты-

продукты;

- ConcreteFactory(Mot if WidgetFactory, PMWidgetFactory) - конкретная фабрика: - реализует операции, создающие конкретные объекты-продукты;

-AbstractProduct(Window, ScrollBar) - абстрактный продукт:

- объявляет интерфейс для типа объекта-продукта;

Порождающие паттерны

-ConcreteProduct(Mot if Window, Mot if ScrollBar) - конкретный продукт:

- определяет объект-продукт, создаваемый соответствующей конкретной

фабрикой;

- реализует интерфейс Abstract Product;

-Client- клиент:

- пользуется исключительно интерфейсами, которые объявлены в классах AbstractFactory и AbstractProduct.

Отношения

-Обычно во время выполнения создается единственный экземпляр класса

ConcreteFactory. Эта конкретная фабрика создает объекты-продукты, имеющие вполне определенную реализацию. Для создания других видов объектов клиент должен воспользоваться другой конкретной фабрикой;

-AbstractFactory передоверяет создание объектов-продуктов своему подклассу ConcreteFactory.

Результаты

Паттерн абстрактная фабрика обладает следующими плюсами и минусами:

-изолирует конкретные классы. Помогает контролировать классы объектов, создаваемых приложением. Поскольку фабрика инкапсулирует ответственность за создание классов и сам процесс их создания, то она изолирует клиента от деталей реализации классов. Клиенты манипулируют экземплярами через их абстрактные интерфейсы. Имена изготавливаемых классов известны только конкретной фабрике, в коде клиента они не упоминаются;

-упрощает замену семейств продуктов. Класс конкретной фабрики появляется в приложении только один раз: при инстанцировании. Это облегчает замену используемой приложением конкретной фабрики. Приложение может изменить конфигурацию продуктов, просто подставив новую конкретную фабрику. Поскольку абстрактная фабрика создает все семейство продуктов, то и заменяется сразу все семейство. В нашем примере пользовательского интерфейса перейти от виджетов Motif к виджетам Presentation Manager можно, просто переключившись на продукты соответствующей фабрики и заново создав интерфейс;

-гарантирует сочетаемость продуктов. Если продукты некоторого семейства спроектированы для совместного использования, то важно, чтобы приложение в каждыймомент времени работало только с продуктами единственного семейства. Класс AbstractFactory позволяет легко соблюсти это ограничение;

-поддержать новый вид продуктов трудно. Расширение абстрактной фабрики для изготовления новых видов продуктов - непростая задача. Интерфейс AbstractFactory фиксирует набор продуктов, которые можно создать. Для поддержки новых продуктов необходимо расширить интерфейс фабрики, то есть изменить класс AbstractFactory и все его подклассы. Решение этой проблемы мы обсудим в разделе «Реализация».

Реализация

Вот некоторые полезные приемы реализации паттерна абстрактная фабрика:

-фабрики как объекты, существующие в единственном экземпляре. Как правило, приложению нужен только один экземпляр класса ConcreteFactory на каждое семейство продуктов. Поэтому для реализации лучше всего применить паттерн одиночка;

-создание продуктов. Класс AbstractFactory объявляет только интерфейс для создания продуктов. Фактическое их создание - дело подклассов ConcreteProduct. Чаще всего для этой цели определяется фабричный метод для каждого продукта (см. паттерн фабричный метод). Конкретная фабрика специфицирует свои продукты путем замещения фабричного метода для каждого из них. Хотя такая реализация проста, она требует создавать новый подкласс конкретной фабрики для каждого семейства продуктов, даже если они почти ничем не отличаются.

Если семейств продуктов может быть много, то конкретную фабрику удастся реализовать с помощью паттерна прототип. В этом случае она инициализируется экземпляром-прототипом каждого продукта в семействе и создает новый продукт путем клонирования этого прототипа. Подход на основе прототипов устраняет необходимость создавать новый класс конкретной фабрики для каждого нового семейства продуктов.

Пример кода

Паттерн абстрактная фабрика мы применим к построению обсуждавшихся в начале этой главы лабиринтов. Класс Maze Factory может создавать компоненты лабиринтов. Он строит комнаты, стены и двери между комнатами. Им разумно воспользоваться из программы, которая считывает план лабиринта из файла, а затем создает его, или из приложения, строящего случайный лабиринт. Программы построения лабиринта принимают MazeFactory в качестве аргумента, так что программист может сам указать классы комнат, стен и дверей:

class MazeFactory {

public:

MazeFactory();

virtual Maze* MakeMazeO const

{ return new Maze; }

virtual Wall* MakeWalK) const

{ return new Wall; }

virtual Room* MakeRoom(int n) const

{ return new Room(n); }

virtual Door* MakeDoor(Room* rl, Room* r2) const

{ return new Door(rl, r2); }

};

Напомним, что функция-член CreateMaze строит небольшой лабиринт, состоящий всего из двух комнат, соединенных одной дверью. В ней жестко «зашиты» имена классов, поэтому воспользоваться функцией для создания лабиринтов с другими компонентами проблематично.

Вот версия CreateMaze, в которой нет подобного недостатка, поскольку она принимает MazeFactory в качестве параметра:

Maze* MazeGame::CreateMaze (MazeFactory& factory) {

Maze* aMaze = factory.MakeMaze();

Room* rl = factory.MakeRoom(l);

Room* r2 = factory.MakeRoom(2);

Door* aDoor = factory.MakeDoor(rl, r2);

aMaze->AddRoom(rl.) ;

aMaze->AddRoom(r2);

rl->SetSide(North, factory.MakeWall());

rl->SetSide(East, aDoor);

rl->SetSide(South, factory.MakeWall() ) ;

rl->SetSide(West, factory.MakeWall());

r2->SetSide(North, factory.MakeWall());

r2->SetSide(East, factory.MakeWall());

r2->SetSide(South, factory.MakeWall());

r2->SetSide(West, aDoor);

return aMaze;

}

Мы можем создать фабрику Enchant edMazeFactory для производства волшебных лабиринтов, породив подкласс от MazeFactory. В этом подклассе замещены различные функции-члены, так что он возвращает другие подклассы классов Room, Wall и т.д.:

class EnchantedMazeFactory : public MazeFactory {

public:

EnchantedMazeFactory();

virtual Room* MakeRoom(int n) const

{ return new EnchantedRoom(n, CastSpell()); }

virtual Door* MakeDoor(Room* rl, Room* r2) const

{ return new DoorNeedingSpell(rl, r2); }

protected:

Spell* CastSpell() const;

};

А теперь предположим, что мы хотим построить для некоторой игры лабиринт, в одной из комнат которого заложена бомба. Если бомба взрывается, то она как минимум обрушивает стены. Тогда можно породить от класса Room подкласс, отслеживающий, есть ли в комнате бомба и взорвалась ли она. Также нам понадобится подкласс класса Wall, который хранит информацию о том, был ли нанесен ущерб стенам. Назовем эти классы соответственно RoomWithABomb и BombedWall.

И наконец, мы определим класс BombedMazeFactory, являющийся подклассом BombedMazeFactory, который создает стены класса BombedWall и комнаты класса RoomWithABomb. В этом классе надо переопределить всего две функции:

Wall* BombedMazeFactory::MakeWall () const {

return new BombedWall;

}

Room* BombedMazeFactory::MakeRoom(int n) const {

return new RoomWithABomb(n);

}

Для того чтобы построить простой лабиринт, в котором могут быть спрятаны бомбы, просто вызовем функцию CreateMaze, передав ей в качестве параметра BombedMazeFactory:

MazeGame game;

BombedMazeFactory factory/-

game. CreateMaze (factory) ;

Для построения волшебных лабиринтов CreateMaze может принимать в качестве параметра и EnchantedMazeFactory.

Отметим, что MazeFactory - всего лишь набор фабричных методов. Это самый распространенный способ реализации паттерна абстрактная фабрика.

Еще заметим, что MazeFactory - не абстрактный класс, то есть он работает и как AbstractFactory, и как ConcreteFactory. Это еще одна типичная реализация для простых применений паттерна абстрактная фабрика. Поскольку MazeFactory - конкретный класс, состоящий только из фабричных методов, легко получить новую фабрику MazeFactory, породив подкласс и заместив в нем необходимые операции.

В функции CreateMaze используется операция SetSide для описания сторон комнат. Если она создает комнаты с помощью фабрики BombedMazeFactory, то лабиринт будет составлен из объектов класса RoomWithABomb, стороны которых описываются объектами класса BombedWall. Если классу RoomWithABomb потребуется доступ к членам BombedWall, не имеющим аналога в его предках, то придется привести ссылку на объекты-стены от типа Wall* к типу BombedWall*.

Такое приведение к типу подкласса безопасно при условии, что аргумент действительно принадлежит классу BombedWall*, а это обязательно так, если стены создаются исключительно фабрикой BombedMazeFactory.

Паттерн Builder