设计模式课程 第9讲（Pattern 3）—— 工厂类模式

来源：北京大学软件研究所 王亚沙《设计模式》课程
文件：田浩然上传的资料/0C107设计模式/ss-09（Pattern 3）.pdf
处理日期：2026-08-28

课程信息

• 课程编号：0C107 设计模式
• 讲次：第9讲（Pattern 3，创建型模式）
• 主题：各种各样的工厂（Factory Method、Prototype、Singleton 等创建型模式）
• 讲师：王亚沙，北京大学软件研究所
• 页数：约49页

注意：本PDF内容提要标注为”Factory Method + Prototype + Singleton + 多种工厂的比较”四部分，但实际正文内容中还穿插了 Decorator、Observer、Template Method 三种模式的内容（与第8讲有重叠），可能是课件排版或合并问题。本笔记以实际正文内容为准整理。

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一、Factory Method 工厂方法模式

解决的问题

两类核心问题：

第一类问题：框架扩展

• 面向对象的软件框架通常用抽象类维护对象关系（信息隐藏原则）
• 具体应用如何在不修改框架的前提下扩展功能？
• 典型例子：MFC的 Application / Document 框架
  • 框架只知道抽象的 Application 和 Document 类
  • 用户基于框架开发绘图应用，需要 DrawingApplication 和 DrawingDocument
  • 当用户选择”新建/打开”菜单时，Application 需要创建具体的 Document
  • 问题：框架编写者无法预见具体应用类，如何构造独立于具体应用的框架？

第二类问题：平行结构关联

• 两组相关联的对象，一组中的某个对象存在，另一组中的关联对象也应该存在
• 如何表示这种关联关系？
• 典型例子：可交互图形系统
  • Figure 系列：LineFigure / TextFigure
  • Manipulator 系列：LineManipulator / TextManipulator
  • 每个 Figure 对应一个 Manipulator，如何表达这种配对关系？

核心思路

将需要创建什么具体类的信息，下放到创建类的子类来实现。从而让创建类与具体被创建类分离。

结构与示例

MFC文档框架示例：

Document (抽象产品)
├─ Open()
├─ Close()
├─ Save()
└─ Revert()

Application (抽象创建者)
├─ CreateDocument()  ← 工厂方法（纯虚函数）
├─ NewDocument()
└─ OpenDocument()

MyApplication (具体创建者)     MyDocument (具体产品)
└─ CreateDocument()  ──────────► 返回 new MyDocument

框架代码调用方式：

Document* doc = CreateDocument();  // 调用工厂方法
docs.Add(doc);
doc->Open();

关键特征

维度	内容
意图	定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。将实例化推迟到子类
问题	一个类需要实例化另一个类的派生类，但不知道是哪一个。Factory Method 允许派生类进行决策
解	派生类对实例化哪个类和如何实例化做出决策
参与者	Product（工厂方法创建对象的接口）、Creator（定义工厂方法的接口）
效果	客户需要派生 Creator 以创建特定的 ConcreteProduct 对象
实现	在抽象类中使用抽象方法（C++纯虚函数），抽象类代码引用此方法，但不知道具体对象是哪一个

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二、Prototype 原型模式

核心示例：图形编辑器工具

在图形/音乐编辑器中，工具栏上有各种工具（Tool），每种工具负责创建一种图形元素（Graphic）。如果每种图形都对应一个 Tool 子类，类爆炸。

解决方案：GraphicTool 持有一个原型对象，通过 Clone() 创建新对象。

Graphic (抽象产品)         Tool (抽象工具)
├─ Draw(Position)          └─ Manipulate()
└─ Clone()

Staff (具体工具)           RotateTool (具体工具)
└─ Manipulate()            └─ Manipulate()

GraphicTool (通用工具)     MusicNote (具体产品)
├─ prototype: Graphic*     ├─ Draw()
└─ Manipulate() {          └─ Clone() → 返回自身拷贝
    p = prototype->Clone();
    while(user drags) { p->Draw(new pos); }
    insert p into drawing;
  }

WholeNote (具体产品)
├─ Draw()
└─ Clone() → return copy of self

与 Factory Method 的对比

Prototype 用”克隆原型对象”替代了 Factory Method 的”子类创建新对象”。

• Factory Method 需要为每种产品创建一个 Creator 子类
• Prototype 只需要一个通用的 GraphicTool，给它不同的原型对象即可

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三、Decorator 装饰模式

说明：本部分内容在正文中出现，但内容提要未标注。可能是与其他讲次合并或排版问题。为完整起见一并整理。详见第8讲笔记。

结构

VisualComponent (Component)
└─ Draw()

TextView (ConcreteComponent)    Decorator (装饰抽象类)
└─ Draw()                        ├─ component: VisualComponent*
                                 └─ Draw() { component->Draw(); }

ScrollDecorator                  BorderDecorator
├─ scrollPosition                ├─ borderWidth
└─ Draw() {                      └─ Draw() {
     Decorator::Draw();               Decorator::Draw();
     ScrollTo();                      DrawBorder(_width);
   }                               }

使用方式

Window* win = new Window;
TextView* tv = new TextView;
 
// 最简单的
win->SetContents(tv);
// 有边框的
win->SetContents(new BorderDecorator(tv, 1));
// 有滚动条的
win->SetContents(new ScrollDecorator(tv));
// 既有边框又有滚动条的（组合装饰）
win->SetContents(new BorderDecorator(new ScrollDecorator(tv), 1));

关键特征

维度	内容
意图	动态地为一个对象添加职责
问题	对象执行基本功能，但可能需要添加其他附加功能，种类和数量不确定
解	通过添加装饰类（而非扩展子类），在运行时为基本类对象扩充功能
效果	所添加的功能放在小对象中，可以在对象功能之前/之后动态添加。对象链终于 ConcreteComponent
实现	创建抽象类表示原类和新功能，装饰类中将新功能调用放在对紧随其后对象的调用之前或之后

课堂练习：发票打印

• 所有发票有正文部分
• 可选择添加表头（3种：表头1/2/3）和页脚（2种：页脚1/2）
• 任意组合：有/无表头，1/2/3个表头，有/无页脚，1/2个页脚
• 用 Decorator 模式：Component + SalesTicket + Decorator + Header1/2/3 + Footer1/2

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四、Observer 观察者模式

说明：本部分内容在正文中出现，但内容提要未标注。详见第8讲笔记。

解决的问题

对象间一对多依赖关系：一个对象状态变化导致其他对象状态变化。

• 经典例子：MFC 的 Doc-View 结构
  • 数据存在 Doc 对象中，展现由 View 对象负责
  • Doc 变化时，所有关联的 View 自动刷新

反例：电子商务新用户

需求：新用户进入系统时，发送欢迎邮件 + 邮局地址验证

方案一（紧耦合）：Customer 类内两个私有方法

• 问题：僵化（难以修改）、脆弱（难以复用）

方案二（依赖具体类）：Customer 调用 WelcomLetter 和 AddrVerification 类

• 问题：仍然紧耦合，新增需求（如播放欢迎音频）需要修改 Customer 类

Observer 方案：

• Subject（主体/被观察者）+ Observer（观察者）
• 一对多关系，运行时动态建立
• Observer 向 Subject 注册 → Subject 事件发生时 Notify 所有 Observer

结构

Subject (抽象主体)                 Observer (抽象观察者)
├─ Attach(Observer*)               └─ Update()
├─ Detach(Observer*)
└─ Notify() → 遍历_observers列表
                                   调用每个Observer的Update()

Customer (具体主体)                WelcomLetter (具体观察者)
├─ customerInfo                    └─ Update() { 发欢迎信 }
├─ getCustomerInfo()
└─ setCustomerInfo()               AddrVerification (具体观察者)
                                   └─ Update() { 验证地址 }

与 Adapter 配合

如果现成的 WelcomLetter 和 AddrVerification 接口不一致，用 Adapter 模式包装：

• WLAdapter 继承 Observer，内部持有 WelcomLetter
• AVAdapter 继承 Observer，内部持有 AddrVerification

代码示例：计时器 + 双时钟

class Subject {
    List<Observer*>* _observers;
public:
    void Attach(Observer* o) { _observers->Append(o); }
    void Detach(Observer* o) { _observers->Remove(o); }
    void Notify() {
        for (ListIterator<Observer*> i(_observers);
             !i.IsDone(); i.Next())
            i.CurrentItem()->Update(this);
    }
};
 
class ClockTimer : public Subject {
    int GetHour(), GetMinute(), GetSecond();
    void Tick() { /* 更新时间 */ Notify(); }
};
 
class DigitalClock : public Widget, public Observer {
    ClockTimer* _subject;
public:
    DigitalClock(ClockTimer* s) : _subject(s) { _subject->Attach(this); }
    ~DigitalClock() { _subject->Detach(this); }
    void Update(Subject* s) { if (s == _subject) Draw(); }
    void Draw() { /* 绘制数字时钟 */ }
};
 
// Client:
ClockTimer* timer = new ClockTimer;
AnalogClock* analogClock = new AnalogClock(timer);
DigitalClock* digitalClock = new DigitalClock(timer);

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五、Template Method 模板方法模式

说明：本部分内容在正文中出现，但内容提要未标注。详见第8讲笔记。

解决的两类问题

问题1：复用问题

• 框架结构相似但细节不同的代码
• 例子：访问不同 DBMS（Oracle vs SQL Server）
  • 流程：连接数据库 → 构造查询语句 → 执行查询
  • 连接方法和SQL语法不同，但整体流程相同
  • 如何复用代码？

问题2：约束和规则

• 程序中有些规则/约束希望不被违反
• 例子：临界资源使用（进入临界区 → 使用 → 退出临界区）
• 让所有使用方自己保证约束不可靠
• 如何一次性编码约束，使其处处有效？

核心思路

写一个 Template，在其中编码高层的策略、规则、流程。需要针对具体问题精化时，通过继承扩展 Template 中的细节。

示例

数据库访问：

• 抽象类定义 Query() 模板方法
• 子类实现 Connect()、BuildSQL()、Execute() 等步骤

View绘图约束：

class View {
public:
    void Display() {    // 模板方法：约束编码在这里
        setFocus();
        doDisplay();    // 纯虚函数，子类实现
        resetFocus();
    }
protected:
    virtual void doDisplay() = 0;  // 原语操作
};
 
class MyView : public View {
protected:
    void doDisplay() override { /* 绘制具体内容 */ }
};

关键特征

维度	内容
意图	定义一个操作中算法的骨架，将一些步骤推迟到子类中实现。不改变算法结构即可重新实现某些步骤
问题	要完成某一细节层次一致的过程/步骤，但个别步骤在更细节层次上有不同实现
解	允许定义可变的子步骤，同时保持基本步骤不变
参与者	AbstractClass（含模板方法，调用原语操作）、ConcreteClass（实现原语操作）
效果	很好的代码复用平台；约束/规则可一次编码处处使用
实现	抽象类 + 抽象方法实现过程。如果步骤独立变化，每个步骤可用 Strategy 模式实现

课堂练习：打印机临界资源

• 打印机是临界资源，同一时刻只能一个线程操作
• Template Method 方案：

  Printer
  ├─ print()        // 模板方法：beginPrint() → doPrint() → endPrint()
  ├─ beginPrint()   // 进入临界区
  ├─ endPrint()     // 退出临界区
  └─ doPrint() = 0  // 纯虚，子类实现具体打印
  

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六、工厂模式概述

为什么需要工厂

什么是工厂：工厂就是生产其他对象的对象或类，有时还负责管理生产出来的对象。

为什么需要工厂——关注点分离：

1. 决定对象是什么，以及它们之间如何协作
2. 在各种情况下实例化正确的对象

将”创建哪些对象、用什么参数创建、如何管理对象池”与”如何使用对象”分离开。

规则：对象应该要么构造和/或管理其他对象，要么使用对象，而不应该兼而有之。

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与其他笔记的关联

• 第3讲：设计原则（SRP/OCP/LSP/DIP/ISP）
• 第4讲：Pattern 1
• 第5讲：消息机制
• 第6讲：比较大的实例
• 第7讲：比较大的实例（二）
• 第8讲：Pattern 2

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关键信息提取说明

• PDF类型：文字版（PPT导出）
• 提取方式：pdftotext 全文提取
• 特殊说明：本讲内容提要标注为”Factory Method + Prototype + Singleton + 多种工厂比较”，但正文实际包含 Decorator/Observer/Template Method 内容（与第8讲有重叠），可能是课件合并或排版问题。本笔记以正文实际内容为准。
• 建议与第8讲笔记对照阅读