Python设计模式-工厂模式

一、模式定义与核心思想

工厂模式（Factory Pattern）属于创建型设计模式，其核心思想是通过一个"工厂类"来创建对象，而不是直接调用类的构造函数。这种模式将对象的实例化过程封装起来，使系统在实例化对象时能获得更高的灵活性和可扩展性。

模式类型细分：

1. 简单工厂模式（静态工厂）
2. 工厂方法模式（多态工厂）
3. 抽象工厂模式（产品族工厂）

二、模式实现与Python特性结合

2.1 简单工厂模式

class Button:
    def render(self): pass

class WindowsButton(Button):
    def render(self):
        return "Windows风格按钮"

class MacButton(Button):
    def render(self):
        return "Mac风格按钮"

class ButtonFactory:
    @staticmethod
    def create_button(os_type):
        if os_type == "windows":
            return WindowsButton()
        elif os_type == "mac":
            return MacButton()
        raise ValueError("未知操作系统类型")

# 使用示例
button = ButtonFactory.create_button("windows")
print(button.render())  # 输出: Windows风格按钮

Python特性应用：

• 使用@staticmethod实现静态工厂方法
• 利用鸭子类型（Duck Typing）实现多态

2.2 工厂方法模式（更符合开闭原则）

from abc import ABC, abstractmethod

class Button(ABC):
    @abstractmethod
    def render(self): pass

class WindowsButton(Button):
    def render(self):
        return "Windows风格按钮"

class MacButton(Button):
    def render(self):
        return "Mac风格按钮"

class Dialog(ABC):
    @abstractmethod
    def create_button(self) -> Button: pass
    
    def render(self):
        button = self.create_button()
        return f"渲染 {button.render()}"

class WindowsDialog(Dialog):
    def create_button(self) -> Button:
        return WindowsButton()

class MacDialog(Dialog):
    def create_button(self) -> Button:
        return MacButton()

# 客户端代码
def client_code(dialog: Dialog):
    print(dialog.render())

client_code(WindowsDialog())  # 输出: 渲染 Windows风格按钮

Python特性亮点：

• 使用abc模块实现抽象基类
• 类型注解（Type Hints）提高代码可读性
• 符合依赖倒置原则（DIP）

2.3 抽象工厂模式（产品族创建）

class GUIFactory(ABC):
    @abstractmethod
    def create_button(self): pass
    
    @abstractmethod
    def create_checkbox(self): pass

class WinFactory(GUIFactory):
    def create_button(self):
        return WindowsButton()
    
    def create_checkbox(self):
        return WindowsCheckbox()

class MacFactory(GUIFactory):
    def create_button(self):
        return MacButton()
    
    def create_checkbox(self):
        return MacCheckbox()

# 客户端代码
def create_ui(factory: GUIFactory):
    button = factory.create_button()
    checkbox = factory.create_checkbox()
    return button, checkbox

三、模式优势与适用场景

3.1 核心优势

1. 解耦：将对象创建与使用分离
2. 可扩展：新增产品类型时无需修改客户端代码
3. 单一职责：创建逻辑集中管理
4. 易于测试：可以轻松替换mock对象

3.2 典型应用场景

• 系统需要支持多种类型的产品
• 对象创建过程复杂或需要统一管理
• 需要动态选择具体实现类
• 框架需要提供扩展点（如Django的ModelAdmin）

四、Python特有实现技巧

4.1 使用类字典替代switch-case

class ButtonFactory:
    _buttons = {
        'windows': WindowsButton,
        'mac': MacButton,
        'linux': LinuxButton
    }
    
    @classmethod
    def create_button(cls, os_type):
        button_class = cls._buttons.get(os_type.lower())
        if button_class:
            return button_class()
        raise ValueError(f"不支持的操作系统: {os_type}")

4.2 利用模块作为工厂

# buttons.py
def create_button(os_type):
    if os_type == "windows":
        return WindowsButton()
    # ...

# 使用
from buttons import create_button

4.3 动态类注册机制

class PluginFactory:
    plugins = {}
    
    @classmethod
    def register(cls, name):
        def wrapper(plugin_class):
            cls.plugins[name] = plugin_class
            return plugin_class
        return wrapper
    
    @classmethod
    def create(cls, name, *args, **kwargs):
        return cls.plugins[name](*args, **kwargs)

@PluginFactory.register('pdf')
class PDFExporter: pass

五、性能考量与最佳实践

1. 缓存策略：对于创建成本高的对象，可以在工厂中实现缓存

   class DatabaseConnectionFactory:
       _instances = {}
       
       @classmethod
       def get_connection(cls, config):
           key = frozenset(config.items())
           if key not in cls._instances:
               cls._instances[key] = RealDatabaseConnection(config)
           return cls._instances[key]
   

2. 线程安全：在多线程环境下使用锁机制

   from threading import Lock
   
   class ThreadSafeFactory:
       _lock = Lock()
       
       @classmethod
       def create(cls):
           with cls._lock:
               # 创建实例
               return ExpensiveObject()
   

3. 元类实现（高级技巧）：

   class AutoRegister(type):
       def __new__(cls, name, bases, namespace):
           new_class = super().__new__(cls, name, bases, namespace)
           if not namespace.get('abstract', False):
               Factory.register(name.lower(), new_class)
           return new_class
   

六、与其他模式的关系

1. vs 建造者模式：工厂关注产品类型，建造者关注构造过程
2. vs 单例模式：工厂可以返回单例对象
3. vs 策略模式：工厂创建对象，策略使用对象

七、实战案例：Django中的工厂模式

Django的模型表单就是工厂模式的典型应用：

from django.forms import modelform_factory

# 动态创建表单类
ProductForm = modelform_factory(
    Product, 
    fields='__all__',
    widgets={'name': TextInput(attrs={'class': 'special'})}
)