【设计模式】工厂模式介绍及C代码实现

背景

在软件系统中，经常面临着创建对象的工作；由于需求的变化，需要创建的对象的具体类型经常变化。如何应对这种变化？如何绕过常规的对象创建方法(new)，提供一种“封装机制”来避免客户程序和这种“具体对象创建工作”的紧耦合？

定义

工厂模式是一种创建型设计模式，它提供一种通用的接口来创建对象，但是让子类决定实例化哪个类。工厂模式将对象的创建过程封装在一个工厂类中，避免直接调用构造函数，提高代码的灵活性和可维护性。工厂模式实现了依赖倒置原则，即面向接口编程而不是面向实现编程。

在工厂模式中，有一个抽象工厂接口，定义了工厂类应该实现的方法，以及一组产品接口，定义了工厂类应该创建的产品的通用行为。具体的工厂类实现了抽象工厂接口，用于创建具体的产品对象。

工厂模式可以分为三种不同的类型：简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式。简单工厂模式只有一个工厂类，它根据传入的参数来决定创建哪种类型的产品对象。工厂方法模式定义一个抽象工厂接口和一组产品接口，每个具体的工厂类实现了抽象工厂接口，并创建了一组具体的产品对象。抽象工厂模式定义一组抽象工厂接口和一组抽象产品接口，每个具体的工厂类实现了一组抽象工厂接口，每个具体的产品类实现了一组抽象产品接口。

应用场景

工厂模式适用于以下场景：

需要创建复杂对象的场景，可以使用工厂模式将对象的创建过程封装起来，避免直接调用构造函数；
需要提供统一的接口来创建一组相关对象的场景，可以使用工厂模式将相关对象的创建过程统一起来；
需要避免使用 new 关键字来创建对象的场景，可以使用工厂模式来代替直接调用构造函数。
总的来说，工厂模式是一种非常常用的设计模式，可以提高代码的可维护性、灵活性和可扩展性，因此在各种编程语言中都得到了广泛的应用。

模式结构

在这里插入图片描述

实现步骤

工厂模式的实现步骤如下：

定义一个抽象产品接口，用于定义一组产品的通用行为。
定义一个具体产品类，实现抽象产品接口，用于提供具体的产品实现。
定义一个抽象工厂接口，用于定义工厂类应该实现的方法。
定义一个具体工厂类，实现抽象工厂接口，用于创建具体的产品对象。
在客户端代码中使用工厂类创建具体的产品对象。

C语言代码示例

下面是一个简单的 C 语言工厂模式的示例代码，用于创建不同类型的车辆对象：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef enum {
    SEDAN,
    SUV,
    HATCHBACK
} CarType;

typedef struct {
    int price;
    char* model;
} Car;

Car* createCar(CarType type) {
    Car* car = (Car*) malloc(sizeof(Car));
    if (car == NULL) {
        return NULL;
    }

    switch (type) {
        case SEDAN:
            car->price = 20000;
            car->model = "Sedan Car";
            break;
        case SUV:
            car->price = 30000;
            car->model = "SUV Car";
            break;
        case HATCHBACK:
            car->price = 15000;
            car->model = "Hatchback Car";
            break;
        default:
            printf("Invalid car type.\n");
            free(car);
            return NULL;
    }

    return car;
}

int main() {
    Car* sedan = createCar(SEDAN);
    printf("Price of %s is %d.\n", sedan->model, sedan->price);
    free(sedan);

    Car* suv = createCar(SUV);
    printf("Price of %s is %d.\n", suv->model, suv->price);
    free(suv);

    Car* hatchback = createCar(HATCHBACK);
    printf("Price of %s is %d.\n", hatchback->model, hatchback->price);
    free(hatchback);

    Car* invalid = createCar(100);
    if (invalid == NULL) {
        printf("Failed to create invalid car.\n");
    }

    return 0;
}

在上面的示例代码中，我们定义了一个 Car 结构体表示车辆，包含价格和型号两个属性，以及一个 CarType 枚举类型表示不同类型的车辆。
createCar 函数是工厂函数，接受一个 CarType 参数，根据不同的类型创建不同的车辆对象，并返回指向 Car 结构体的指针。在 main 函数中，我们调用 createCar 函数创建不同类型的车辆对象，并输出其价格和型号。注意，当传入无效的 CarType 参数时，createCar 函数会返回 NULL。最后，我们需要手动释放 createCar 函数中使用 malloc 函数动态分配的内存。