python设计模式-工厂方法模式

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题目 :假设你有一个 pizza 店,功能包括 下订单 、 做 pizza ,你的代码会如何写呢?


def order_pizza():
pizza = Pizza()
pizza.prepare()
pizza.bake()
pizza.cut()
pizza.box()
return pizza

但是现在你遇到了一个问题,你的 pizza 店需要更多的 pizza,所以现在你需要增加一些代码,来决定适合的 pizza 类型,然后再制造这个 pizza:


def order_pizza(pizza_type): # 现在把 pizza 的类型传入 order_pizza()
# 根据 pizza 类型,我们实例化正确的具体类,然后将其赋值给 pizza 实例变量
if pizza_type == 'cheese':
pizza = CheesePizza()
elif pizza_type == 'greek':
pizza = GreekPizza()
elif pizza_type == 'pepperoni':
pizza = PepperoniPizza()
# 一旦我们有了一个 pizza,需要做一些准备(擀面皮、加佐料),然后烘烤、切片、装盒
pizza.prepare()
pizza.bake()
pizza.cut()
pizza.box()
return pizza

但是经过几天的实践,你发现顾客喜欢点的 ClamPizza、Veggie Pizza 而 Greek pizza 并没有什么人喜欢,这个时候需要修改代码:


def order_pizza(pizza_type): # 现在把 pizza 的类型传入 order_pizza()
# 根据 pizza 类型,我们实例化正确的具体类,然后将其赋值给 pizza 实例变量
if pizza_type == 'cheese':
pizza = CheesePizza()
# elif pizza_type == 'greek': # greek pizza 不再出现在菜单
# pizza = GreekPizza()
elif pizza_type == 'pepperoni':
pizza = PepperoniPizza()
# 新加了 clam pizza 和 veggie pizza
elif pizza_type == 'clam':
pizza = ClamPizza()
elif pizza_type == 'veggie':
pizza = VeggiePizza()
# 一旦我们有了一个 pizza,需要做一些准备(擀面皮、加佐料),然后烘烤、切片、装盒
pizza.prepare()
pizza.bake()
pizza.cut()
pizza.box()
return pizza

现在你发现了一个问题, order_pizza() 是在内部实例化了具体的 Pizza 类 ,并且,order_pizza() 也没有对修改关闭,以至于每次有了新的 pizza 加入都要修改 order_pizza() 的代码。这时一个比较好的办法是把创建 Pizza 对象是抽象出来,修改后的代码如下:


# 把创建对象的代码从 order_pizza 方法中抽离
def create_pizza(pizza_type):
# 根据 pizza 类型,我们实例化正确的具体类,然后将其赋值给 pizza 实例变量
if pizza_type == 'cheese':
pizza = CheesePizza()
elif pizza_type == 'pepperoni':
pizza = PepperoniPizza()
elif pizza_type == 'clam':
pizza = ClamPizza()
elif pizza_type == 'veggie':
pizza = VeggiePizza()
return pizza
def order_pizza(pizza_type): # 现在把 pizza 的类型传入 order_pizza()
# 这里使用 create_pizza() 方法创建 pizza 类
pizza = create_pizza(pizza_type)
# 一旦我们有了一个 pizza,需要做一些准备(擀面皮、加佐料),然后烘烤、切片、装盒
pizza.prepare()
pizza.bake()
pizza.cut()
pizza.box()
return pizza
简单工厂模式

我们把创建 pizza 对象的代码提取到一个新的方法中,我们称这个新的方法叫做 工厂 。


工厂 处理创建对象的细节,一旦有了 create_pizza , order_pizza() 就成了此对象的客户。当需要 pizza 时,只需要告诉工厂需要什么类型的 pizza,让它做一个即可。


现在 order_pizza() 方法只关心从工厂得到一个 pizza,这个 pizza 实现了 Pizza 的接口,所以它可以调用 prepare()(准备) 、 bake()(烘烤) 、 cut()(切片) 、 box()(装盒)


问: 现在你可能会问,这段代码看上去更复杂了,有什么好处了呢?看上去只是把问题搬到另一个对象了。


答: 现在看来,order_pizza 只是 create_pizza 的一个客户,其它客户(比如pizza 店菜单 PizzaShopMenu)也可以使用这个工厂来取得 pizza。把创建 pizza 的代码包装进一个类,当以后实现修改时,只需要修改这个部分代码即可。


这里我们的工厂 create_order() 是一个简单的方法,利用方法定义一个简单工厂的方法通常被称为 简单工厂模式 ( 简单工厂 更像是一中编程习惯而不是设计模式)。


重做 PizzaStore 类

上边的代码中, order_pizza 是客户代码,但是为了让我们的 pizza 店有更好的扩展性,这里我们需要把客户代码做一下修改:


class SimplePizzaFactory:
def create_pizza(self, pizza_type):
...
return pizza
class PizzaStore:
def order_pizza(self, pizza_type): # 现在把 pizza 的类型传入 order_pizza()
factory = SimplePizzaFactory()
pizza = factory.create_pizza(pizza_type)
...
return pizza
# 下边是其他可能用到的方法

这段代码中,我们把一个方法(create_pizza)使用类(SimplePizzaFactory)封装了起来,目的是使工厂可以 通过继承来改变创建方法的行为 ,并且这样做,也可以提高工厂方法的扩展性。


现在来看一下我们 pizza 店的类图:



简单工厂模式的局限
缺点

由于工厂类集中了所有产品创建逻辑,违反了高内聚责任分配原则,一旦不能正常工作,整个系统都要受到影响。
系统扩展困难,一旦添加新产品就不得不修改工厂逻辑,在产品类型较多时,有可能造成工厂逻辑过于复杂,不利于系统的扩展和维护。

使用场景

工厂类负责创建的对象较少
客户只知道传入工厂类的参数,对于如何创建对象(逻辑)不关心;客户端既不需要关心创建细节,甚至连类名都不需要记住,只需要知道类型所对应的参数。

为了突破这些局限,我们接着看一下 工厂方法模式


工厂方法模式

现在我们有了一个新的问题,我们创建 pizza 店后,现在有人想要加盟,但我们还想要控制一下 pizza 的制作流程,该如何实现呢?


首先,要给 pizza 店使用框架,我们所要做的就是把 create_pizza() 方法放回到 PizzaStore 类中,不过这个方法需要在每个子类中倒要实现一次。现在 PizzaStore 代码为:


class PizzaStore:
def create_pizza(self, pizza_type):
# 每个需要子类实现的方法都会抛出NotImplementedError
# 我们也可以把 PizzaStore 的 metaclass 设置成 abc.ABCMeta
# 这样的话,这个类就是真正的抽象基类
raise NotImplementedError()
def order_pizza(self, pizza_type): # 现在把 pizza 的类型传入 order_pizza()
pizza = self.create_pizza(pizza_type)
# 一旦我们有了一个 pizza,需要做一些准备(擀面皮、加佐料),然后烘烤、切片、装盒
pizza.prepare()
pizza.bake()
pizza.cut()
pizza.box()
return pizza

这样我们就声明了一个工厂方法。这个工厂方法用来处理对象的创建,并将这个创建行为封装在子类中,这样客户程序中关于父类的代码就和子类的对象创建代码解耦成功。


我们将 create_pizza 放回 PizzaStore 的目的是让继承此方法的子类负责定义自己的 create_pizza() 方法。现在我们看一下PizzaStore 的子类示意图:



这里 NYStlyePizzaStore 和 ChicagoStylePizzaStore 需要分别定义自己的 create_pizza 方法。


现在来看下完整代码:


#! -*- coding: utf-8 -*-
class Pizza:
name = None
dough = None
sauce = None
toppings = []
def prepare(self):
print("Preparing %s" % self.name)
print("Tossing dough...")
print("Adding sauce...")
print("Adding toppings: ")
for topping in self.toppings:
print(" %s" % topping)
def bake(self):
print("Bake for 25 minutes at 350")
def cut(self):
print("Cutting the pizza into diagonal slices")
def box(self):
print("Place pizza in official PizzaStore box")
def __str__(self):
return self.nameclass NYStyleCheesePizza(Pizza):
name = "NY Style Sauce and Cheese Pizza"
dough = "Thin Crust Dough"
sauce = "Marinara Sauce"
toppings = ["Grated", "Reggiano", "Cheese"]class ChicagoStyleCheesePizza(Pizza):
name = "Chicago Style Deep Dish Cheese Pizza"
dough = "Extra Thick Crust Dough"
sauce = "Plum Tomato Sauce"
toppings = ["Shredded", "Mozzarella", "Cheese"]
def cut(self):
print("Cutting the pizza into square slices")class PizzaStore:
def create_pizza(self, pizza_type):
# 每个需要子类实现的方法都会抛出NotImplementedError
# 我们也可以把 PizzaStore 的 metaclass 设置成 abc.ABCMeta
# 这样的话,这个类就是真正的抽象基类
raise NotImplementedError()
def order_pizza(self, pizza_type): # 现在把 pizza 的类型传入 order_pizza()
pizza = self.create_pizza(pizza_type)
# 一旦我们有了一个 pizza,需要做一些准备(擀面皮、加佐料),然后烘烤、切片、装盒
pizza.prepare()
pizza.bake()
pizza.cut()
pizza.box()
return pizza
class NYStylePizzStore(PizzaStore):
def create_pizza(self, pizza_type):
# 根据 pizza 类型,我们实例化正确的具体类,然后将其赋值给 pizza 实例变量
if pizza_type == 'cheese':
pizza = NYStyleCheesePizza()
return pizzaclass ChicagoStylePizzaStore(PizzaStore):
def create_pizza(self, pizza_type):
# 根据 pizza 类型,我们实例化正确的具体类,然后将其赋值给 pizza 实例变量
if pizza_type == 'cheese':
pizza = ChicagoStyleCheesePizza()
return pizzadef main():
nystore = NYStylePizzStore()
pizza = nystore.order_pizza('cheese')
print("goodspeed ordered a %s" % pizza)
print("*" * 100)
chicago_store = ChicagoStylePizzaStore()
pizza = chicago_store.order_pizza('cheese')
print("goodspeed ordered a %s" % pizza)if __name__ == '__main__':
main()

这里工厂方法 create_pizza() 直接抛出了 NotImplementedError ,这样做事为了强制子类重新实现 create_pizza() 方法,如果不重新实现就会抛出 NotImplementedError 。


当然也可以把 PizzaStore 的 metaclass 设置成 abc.ABCMeta 这样的话,这个类就是真正的抽象基类。


现在我们看一下工厂方法模式的类图:



产品类和创建者类其实是平行的类的层级它们的关系如下图:



工厂方法模式定义

通过上文的介绍,我们可以得到工厂方法模式大概的定义:


在 工厂方法模式 中,工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口,而工厂子类则负责生成具体的产品对象,这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成,即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体产品类。


工厂方法模式能够封装具体类型的实例化,抽象的 Creator 提供了一个创建对象的 工厂方法 。在抽象的 Creator 中,任何其他实现的方法,都可能使用到这个方法锁制造出来的产品,但只有子类真正实现这个工厂方法并创建产品。


下图是工厂方法模式原理类图:



工厂方法模式优点

工厂方法集中的在一个地方创建对象,使对象的跟踪变得更容易。
工厂方法模式可以帮助我们将产品的实现从 使用 中 解耦 。如果增加产品或者改变产品的实现,Creator 并不会收到影响。
使用工厂方法模式的另一个优点是在系统中加入新产品时,无须修改抽象工厂和抽象产品提供的接口,无须修改客户端,也无须修改其他的具体工厂和具体产品,而只要添加一个具体工厂和具体产品就可以了。这样,系统的可扩展性也就变得非常好,完全符合“开闭原则”。

工厂方法可以在必要时创建新的对象,从而提高性能和内存使用率。若直接实例化类来创建对象,那么每次创建新对象就需要分配额外的内存。


简单工厂 和 工厂方法 之间的差异

简单工厂把全部的事情在一个地方处理完了(create_pizza),而工厂方法是创建了一个框架,让子类去决定如何实现。比如在工厂方法中,order_pizza() 方法提供了一般的框架用来创建 pizza,order_pizza() 方法依赖工厂方法创建具体类,并制造出实际的 pizza。而制造什么样的 pizza 是通过继承 PizzaStore来实现的。 但 简单工厂 只是把对象封装起来,并不具备工厂方法的弹性。


python 应用中使用工厂模式的例子

Django 的 forms 模块使用工厂方法模式来创建表单字段。WTForm 也使用到了工厂方法模式。sqlalchemy 中不同数据库连接部分也用到了工厂方法模式。


总结

工厂方法模式的核心思想是定义一个用来创建对象的公共接口,由工厂而不是客户来决定需要被实例化的类,它通常在构造系统整体框架时被用到。工厂方法模式看上去似乎比较简单,但是内涵却极其深刻,抽象、封装、继承、委托、多态等面向对象设计中的理论都得到了很好的体现,应用范围非常广泛。


参考

《Head First 设计模式》
《精通 python 设计模式》
《Python 编程实战》
Python设计模式系列之三: 创建型Factory Method模式

最后,感谢女朋友支持。





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