Python 設計模式——Factory Method模式

　　一、簡介
　　工廠方法（Factory Method）模式又稱為虛擬構造器（Virtual Constructor）模式或者多態工廠（Polymorphic Factory）模式，屬于類的創建型模式。在工廠方法模式中，父類負責定義創建對象的公共接口，而子類則負責生成具體的對象，這樣做的目的是將類的實例化操作延遲到子類中完成，即由子類來決定究竟應該實體化哪一個類。
　　
　　在簡單工廠模式中，一個工廠類處于對產品類進行實例化的中心位置上，它知道每一個產品類的細節，并決定何時哪一個產品類應當被實例化。簡單工廠模式的優點是能夠使客戶端獨立于產品的創建過程，并且在系統中引入新產品時無需對客戶端進行修改，缺點是當有新產品要加入到系統中時，必須對工廠類進行修改，以加入必要的處理邏輯。簡單工廠模式的致命弱點就是處于核心地位的工廠類，因為一旦它無法確定要對哪個類進行實例化時，就無法使用該模式，而工廠方法模式則可以很好地避免這一問題。
　　
　　考慮這樣一個應用程序框架（Framework），它可以用來瀏覽各種格式的文檔，如TXT、DOC、PDF、HTML等，設計時為了讓軟件的體系結構能夠盡可能地通用，定義了Application和Document這兩個抽象父類，客戶必須通過它們的子類來處理某一具體類型的文檔。例如，要想利用該框架來編寫一個PDF文件瀏覽器，必須先定義PDFApplication和PDFDocument這兩個類，它們應該分別繼承于Application和Document。
　　
　　Application的職責是對Document進行管理，并且在需要時創建它們，比如當用戶從菜單中選擇Open或者New的時候，Application就要負責創建一個Document的實例。顯而易見，被實例化的特定Document子類是與具體應用相關的，因此Application無法預測哪個Document的子類將被實例化，它只知道一個新的Document何時（When）被創建，但并不知道哪種（Which）具體的Document將被創建。此時若仍堅持使用簡單工廠模式會出現一個非常尷尬的局面：框架必須實例化類，但它只知道不能被實例化的抽象類。
　　
　　解決的辦法是使用工廠方法模式，它封裝了哪一個Document子類將被創建的信息，并且能夠將這些信息從框架中分離出來。如圖1所示，Application的子類重新定義了Application的抽象方法createDocument()，并返回某個恰當的Document子類的實例。我們稱createDocument()是一個工廠方法（factory method），因為它非常形象地描述了類的實例化過程，即負責"生產"一個對象。
　　 　
　　 圖1
　　簡單說來，工廠方法模式的作用就是可以根據不同的條件生成各種類的實例，這些實例通常屬于多個相似的類型，并且具有共同的父類。工廠方法模式將這些實例的創建過程封裝了起來，從而簡化了客戶程序的編寫，并改善了軟件體系結構的可擴展性，使得將來能夠以最小的代價加入新的子類。工廠方法這一模式適合在如下場合中運用：
　　
　　當無法得知必須創建的對象屬于哪個類的時候，或者無法得知屬于哪個類的對象將被返回的時候，但前提是這些對象都符合一定的接口標準。
　　當一個類希望由它的子類來決定所創建的對象的時候，其目的是使程序的可擴展性更好，在加入其他類時更具彈性。
　　當創建對象的職責被委托給多個幫助子類（helper subclass）中的某一個，并且希望將哪個子類是代理者這一信息局部化的時候。
　　需要說明的是，使用工廠方法模式創建對象并不意味著一定會讓代碼變得更短（實事上往往更長），并且可能需要設計更多的輔助類，但它的確可以靈活地、有彈性地創建尚未確定的對象，從而簡化了客戶端應用程序的邏輯結構，并提高了代碼的可讀性和可重用性。
　　
　　二、模式引入
　　工廠方法這一模式本身雖然并不復雜，但卻是最重要的設計模式之一，無論是在COM、CORBA或是EJB中，都可以隨處見到它的身影。面向對象的一個基本思想是在不同的對象間進行責權的合理分配，從本質上講，工廠方法模式是一種用來創建對象的多態方法（polymorphic method），它在抽象父類中聲明用來創建對象的方法接口，而具體子類則通過覆蓋該方法將對象的創建過程局部化，包括是否實例化一個子類，以及是否對它進行初始化等等。從某種程度上說，工廠方法可以看成是構造函數的特殊化，其特殊性表現在能夠用一致的方法來創建不同的對象，而不用擔心當前正在對哪個類進行實例化，因為究竟創建哪個類的對象將取決于它的子類。
　　
　　假設我們打算開發一個用于個人信息管理（Personal Information Manager，PIM）的軟件，它可以保存日常工作和生活中所需的各種信息，包括地址本、電話簿、約會提醒、日程安排等等。很顯然，PIM用戶界面（User Interface）的設計將是比較復雜的，因為必須為每種信息的輸入、驗證和修改都提供單獨的界面，以便同用戶進行交互。比較簡單的做法是在PIM中為各種信息的處理編寫相應的用戶界面，但代價是將導致軟件的可擴展性非常差，因為一旦今后要加入對其他信息（比如銀行帳戶）進行管理的功能時，就必須對PIM進行修改，添加相應的用戶界面，從而最終導致PIM變得越來越復雜，結構龐大而難以維護。改進的辦法是將處理各種信息的用戶界面從PIM中分離出來，使PIM不再關心用戶如何輸入數據，如何對用戶輸入進行驗證，以及用戶如何修改信息等，所有的這些都交由一個專門的軟件模塊來完成，而PIM要做的只是提供一個對這些個人信息進行管理的總體框架。
　　
　　在具體實現時可以設計一個通用接口Editable，并且讓所有處理特定個人信息（如通信地址和電話號碼）的用戶界面都繼承于它，而PIM則通過Editable提供的方法getEditor()獲得Editor的一個實例，并利用它來對用戶輸入進行統一的處理。例如，當用戶完成輸入之后，PIM可以調用Editor中的方法getContent()來獲取用戶輸入的數據，或者調用resetUI()來清除用戶輸入的數據。在采用這一體系結構之后，如果要擴展PIM的功能，只需添加與之對應的Editable和Editor就可以了，而不用對PIM本身進行修改。
　　
　　現在離目標還有一步之遙，由于Editable和Editor都只是通用的接口，但PIM卻需要對它們的子類進行實例化，此時自然應該想到運用工廠方法模式，為PIM定義一個EditableFactory接口來創建Editable的對象。這樣一來，整個PIM的體系結構就將如圖2所示。
　　 　
　　 圖2
　　Editable接口定義了一個公共的構造性方法（builder method）getEditor()，它返回一個Editor對象，其完整的代碼如清單1所示。任何一項個人信息都擁有自己獨立的用戶界面（Editor），負責獲取數據并在需要的時候進行修改，而PIM唯一要做事情的只是通過Editable來獲得Editor，并利用它來對用戶輸入的數據進行相應的操作。
　　
　　代碼清單1：editable.py
　　class Editable:
　　　""" 個人信息用戶界面的公共接口 """
　　
　　　# 獲得個人信息編輯界面
　　　def getEditor(self):
　　pass
　　
　　Editor接口給出了處理所有個人信息的公共接口，其完整的代碼如清單2所示。PIM通過調用getUI()方法能夠獲得與用戶進行交互的UI組件，根據當前正在處理的個人信息的不同，這些組件可能簡單到只是一個文本輸入框，也可以復雜到是一個包含了多個圖形控件（Widget）的對話框。利用Editor提供的getContent()、commitChanges()和resetUI()方法，PIM還可以獲取、提交或者清空用戶輸入的個人信息。在引入Editor之后， PIM就能夠從處理特定個人信息的用戶界面中解脫出來，從而可以將注意力集中在如何對這些信息進行統一管理的問題上。
　　
　　代碼清單2：editor.py
　　class Editor:
　　　""" 用戶使用特定的Editor來編輯個人信息 """
　　
　　　# 獲取代表用戶界面（UI）的對象
　　　def getUI(self):
　　pass
　　　
　　　# 獲取用戶輸入的數據
　　　def getContent(self):
　　pass
　　
　　　# 提交用戶輸入的數據
　　　def commitChanges(self):
　　pass
　　
　　　# 清空用戶輸入的數據
　　　def resetUI(self):
　　pass
　　
　　EditableAddress是Editable的一個具體實現，PIM使用它來處理個人地址信息，其完整的代碼如清單3所示。
　　
　　代碼清單3：editableaddress.py
　　from editor import Editor
　　from editable import Editable
　　import Tkinter
　　
　　class EditableAddress(Editable):
　　　""" 用于處理個人地址信息的Editable """
　　　
　　　# 構造函數
　　　def __init__(self, master):
　　self.master = master
　　self.name = ""
　　self.province = ""
　　self.city = ""
　　self.street = ""
　　self.zipcode = ""
　　self.editor = AddressEditor(self)
　　
　　　# 獲取相關聯的Editor
　　　def getEditor(self):
　　return self.editor
　　　
　　class AddressEditor(Editor, Tkinter.Frame):
　　　""" 用于處理個人地址信息的Editor """
　　　
　　　# 構造函數
　　　def __init__(self, owner):
　　Tkinter.Frame.__init__(self, owner.master)
　　self.owner = owner
　　self.name = Tkinter.StringVar()
　　self.province = Tkinter.StringVar()
　　self.city = Tkinter.StringVar()
　　self.street = Tkinter.StringVar()
　　self.zipcode = Tkinter.StringVar()
　　self.createWidgets()
　　
　　　# 構造用戶界面
　　　def cre

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