基于模板方法與抽象工廠的復合模式①

林欣欣,郭元術,運杰倫,蘇欣欣

(長安大學 信息工程學院,西安 710064)

引言

自Erich Gamma、Richard Helm 等提出23 種“設計模式”[1,2]后,人們對于設計模式方面的研究越來越重視,程序設計人員對23 種設計模式進行了學習[3-5],并將其運用于實踐.

軟件設計模式描述的是在面向對象軟件設計過程中針對特定問題提出的解決方案,應用該解決方案可以得到高內聚、低耦合并且復用性更高的程序.這些方案并不是人們一開始就采用的設計方案,而是為增加軟件的靈活性和可復性進行的總結[1].

面向對象程序設計原則[6]包含開閉、依賴倒置、單一職責等7 條原則.為保證軟件的靈活性、可復用性以及健壯性各個原則均是需要努力保證滿足的.

程序設計人員在實踐過程中發現獨立的應用某一種設計模式,并不能很好的滿足程序設計的需求.如文獻《模板方法模式的改進》[7]通過將策略者模式嵌入到模板方法模式,從而對模板方法模式進行改進,該模式是將延遲到子類的算法的不同實現方式寫入到各個類,各個類之間可以相互替換.

本文將討論模板方法及抽象工廠模式,并將抽象工廠模式放在模板方法模式中進行討論,最終給出復合模式.本文的復合模式側重點在于延遲到子類的算法如果使用到具體的其他的類,如何在保證“單一職責”的原則下進行其他具體類對象的引用,并且使得各個子類的替換較為便捷.復合模式還在一定程度上解決了模板方法模式由于變化的子類實現方式過多而造成系統龐大的問題,并且給出了復合模式的UML 結構圖,其他程序設計人員可以直接復用該復合模式.

1 模板方法模式

模板方法模式[8]UML 結構圖[9-11]如圖1所示.

圖1 模板方法模式結構圖

模板方法模式中包括兩類參與者:

(1)算法定義類(AbstractClass):該類包括模板方法、具體方法、抽象方法.在結構圖中TemplateMethod()為模板方法,PrimitiveOperation1()與PrimitiveOperation2()為模板方法中的兩個抽象操作.

(2)具體實現類(ConcreteClass):重新定義模板方法中的抽象操作以提供具體的行為.ConcreteClass 類實現方式的不同可以使得算法的實現各不相同.

2 抽象工廠模式

抽象工廠模式[12,13]UML 結構圖如圖2所示.

圖2 抽象工廠模式結構圖

抽象工廠模式中包括5 類參與者:

(1)抽象工廠(AbstractFactory):以抽象的方式創建一個完整的產品族.

(2)具體工廠(Factory1,Factory2):創建具體的產品對象,不同的具體工廠對配置不同的具體產品進行生產.

(3)抽象產品(AbstractProductA,AbstractProductB):對一類產品進行抽象,為一類產品對象聲明一個接口.

(4)具體產品(ProductA1,ProductA2,ProductB1,ProductB2):有著自己獨特配置的產品,被相應的具體工廠所生產.

(5)代碼調用者(Client):Client 不是人,而是代碼的調用者.

3 復合模式的設計

模板方法模式的意圖是:父類定義一個算法的框架,用模板方法規定算法的執行步驟,將可變的步驟延遲到子類實現,每一種不同的實現都定義一個新的子類,父類調用子類,子類對父類進行靈活的拓展.在本文的模板方法模式中,如果延遲到具體子類ConcreteClass的抽象操作PrimitiveOperation1()是從多個產品族中選取一種產品族實現算法步驟,如果將所有類型以實例化的形式寫在ConcreteClass 中,代碼復用性不高、靈活性不強.因此考慮將抽象工廠模式嵌入到模板方法模式中.抽象工廠模式的意圖是:在抽象工廠類中以抽象的形式創建一個完整的產品族,在創建產品族的過程中不關注產品的具體實現類.用戶只需根據自己所需產品族的類型選擇具體工廠,而不需要關注產品族中產品的創建.創建一個抽象工廠AbstractFactory,該抽象工廠創建一個完整的產品族,其子類具體工廠ConcreteFactory1、ConcreteFactory2 等生產產品類型各不相同的具體產品,并且當需要添加新的產品類型時只需添加AbstractFactory 的子類即可,而無需改動其他的類,延遲到ConcreteClass 中的算法步驟就可以在不指定產品類型的情況下創建一個AbstractFactory的引用,并將該引用指向子類對象ConcreteFactory1或ConcreteFactory2,從而獲得產品對象[14].在此過程中,產品對象的獲得不是通過直接new 的方式,而是通過函數的調用,這樣使得對象的創建和對象實現的業務相分離,降低系統的耦合度.AbstractClass 通過對ConcreteClass 的調用完成全部的算法流程.

復合模式UML 結構圖如圖3所示.

圖3 復合模式結構圖

復合模式中包括6 類參與者:

(1)算法定義類(AbstractClass):作用同模板方法模式中的算法定義類.

(2)具體實現類(ConcreteClass):作用同模板方法模式中的具體實現類,同時,又充當抽象工廠模式中的Client 接口.

(3)抽象工廠(AbstractFactory):作用同抽象工廠模式中的抽象工廠類.

(4)具體工廠(Factory1,Factory2):作用同抽象工廠模式中的具體工廠類.

(5)抽象產品(AbstractProductA,AbstractProductB):作用同抽象工廠模式中的抽象產品類.

(6)具體產品(ProductA1,ProductA2,ProductB1,ProductB2):作用同抽象工廠模式中的具體產品類.

4 復合模式的實現

考試期間有個別同學作弊是一直存在的問題.某老師為解決該問題,給出的解決方案是:按照個人學號分配試卷,試卷題目相同,但出現順序不同.該方案確實能一定程度上解決同學之間相互抄襲的問題,但并不能完全杜絕.并且,該方案對改卷老師并不友好,要求改卷老師能明確知道每道題目的答案.批改試卷的效率較低,難度較大.

對于各高校而言,存在足夠的資源進行上機測試.復合模式應用于在線測試系統的后臺程序編程中,并將結果放到頁面顯示.后臺結構圖如圖4所示.

圖4 考試模塊結構圖

算法中包括6 類參與者:

(1)考試抽象類:模板方法定義完成考試的步驟.其中生成試卷功能交給子類具體實現.

(2)考試實現類:通過使用試卷生成工廠及其子類對象完成試卷生成功能.

(3)試卷生成工廠:定義產品族,產品族包括選擇題與填空題.

(4)易試卷生成工廠、難試卷生成工廠:分別返回難易程度為易與難的選擇題對象與填空題對象.

(5)選擇題抽象類、填空題抽象類:分別定義選擇題與填空題的共性以便子類進行繼承.

(6)易選擇題、難選擇題、易填空題、難填空題:從數據庫中查詢并返回對應難度的選擇題或者填空題.

4.1 核心功能代碼

(1)考試抽象類:

(2)考試實現類:

(3)試卷生成工廠:

(4)易試卷生成工廠:

(5)選擇題抽象類:

(6)易選擇題:

4.2 運行結果

本文首先以試卷列表的形式展示生成的試卷.如圖5所示,試卷因難易程度不同而題目編號各不相同.

難度系數為易、難的選擇題如圖6所示.

在本項目中,若用戶需要試卷難易程度為“中等”的試卷,只需創建新的“中等選擇題”類、“中等填空題”類與“中等試卷生成工廠”類,新建的類各自繼承其父類,重寫父類的方法.“試卷生成工廠”以上的程序結構均不需要改變,該過程充分體現了程序的靈活性.因為該程序遵循“單一職責”原則,即每個類只具有單一的功能,當其他項目需要題目類,如選擇題類,可以直接使用該類及其子類,即該程序具有可復用性.新增“中等”難度的試卷如圖7所示.

5 結束語

復合模式的優點:本文中復合模式是指將抽象工廠模式嵌入到模板方法模式中從而形成的集成兩者優點的新模式.模板方法模式的反向控制機制保證了算法整體的穩定性,反向控制機制的原理為:父類調用子類,子類對父類進行靈活的拓展.抽象工廠模式的優點一:它將具體的類進行了分離,工廠對具體產品的創建過程進行了封裝,在不實例化的情況下創建產品對象.抽象工廠模式的優點二:產品族的替換方便,抽象工廠以抽象的形式實現了一個完整的產品族的創建,每個具體工廠生產配置不同的產品族.具體工廠類只在創建抽象工廠對象的時候出現一次,因此具體工廠的替換很容易.復合模式集成了二者的優點,對延遲到子類的算法步驟的實現進行了靈活的擴展,保證了算法結構的穩定性,又分離了具體的實現類,使得系統的健壯性、靈活性以及可復用性得到了增強.

圖6 選擇題題目

圖7 試卷列表

復合模式的缺點:難以支持新種類的產品.

復合模式的適用性:需實現算法的邏輯框架相同,但每個步驟根據對象不同而實現的細節不同,且該細節是從多個產品族中選取的一個系列進行實現.