工厂模式

工厂模式是我们最常用的实例化对象模式了,是用工厂方法代替new操作的一种模式。通常我们所说的工厂模式是指工厂方法模式,它也是使用频率最高的工厂模式。工厂模式在Java程序系统可以说是随处可见。因为工厂模式就相当于创建实例对象的new,我们经常要根据类Class生成实例对象,如A a=new A() 工厂模式也是用来创建实例对象的,所以以后new时就要多个心眼,是否可以考虑使用工厂模式,虽然这样做,可能多做一些工作,但会给你系统带来更大的可扩展性和尽量少的修改量。

工厂模式的作用

工厂模式(包括简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式)到底有什么用,很多时候通过反射机制就可以很灵活地创建对象,为什么还要工厂?

与一个对象有关的原则有三类:

  1. 对象本身所具有的职责
  2. 创建对象的职责
  3. 使用对象的职责

对象本身的职责很好理解,就是对象自身所具有的一些数据和行为,可通过一些公开的方法来实现它的职责。在本文中,我们将简单讨论一下对象的创建职责和使用职责。

在Java语言中,我们通常有以下几种创建对象的方式:

  1. 使用new关键字直接创建对象;
  2. 通过反射机制创建对象;
  3. 通过clone()方法创建对象;
  4. 通过工厂类创建对象。

毫无疑问,在客户端代码中直接使用new关键字是最简单的一种创建对象的方式,但是它的灵活性较差,下面通过一个简单的示例来加以说明:

class LoginAction {
    private UserDAO udao;
    
    public LoginAction() {
        udao = new JDBCUserDAO(); //创建对象
    }
    
    public void execute() {
        //其他代码
        udao.findUserById(); //使用对象
        //其他代码
    }
}

在LoginAction类中定义了一个UserDAO类型的对象udao,在LoginAction的构造函数中创建了JDBCUserDAO类型的udao对象,并在execute()方法中调用了udao对象的findUserById()方法,这段代码看上去并没有什么问题。下面我们来分析一下LoginAction和UserDAO之间的关系,LoginAction类负责创建了一个UserDAO子类的对象并使用UserDAO的方法来完成相应的业务处理,也就是说LoginAction即负责udao的创建又负责udao的使用,创建对象和使用对象的职责耦合在一起,这样的设计会导致一个很严重的问题:如果在LoginAction中希望能够使用UserDAO的另一个子类如HibernateUserDAO类型的对象,必须修改LoginAction类的源代码,违反了“开闭原则”。如何解决该问题?

最常用的一种解决方法是将udao对象的创建职责从LoginAction类中移除,在LoginAction类之外创建对象,那么谁来负责创建UserDAO对象呢?答案是:工厂类。通过引入工厂类,客户类(如LoginAction)不涉及对象的创建,对象的创建者也不会涉及对象的使用。引入工厂类UserDAOFactory之后的结构如图1所示:

enter image description here

工厂类的引入将降低因为产品或工厂类改变所造成的维护工作量。如果UserDAO的某个子类的构造函数发生改变或者要需要添加或移除不同的子类,只要维护UserDAOFactory的代码,而不会影响到LoginAction;如果UserDAO的接口发生改变,例如添加、移除方法或改变方法名,只需要修改LoginAction,不会给UserDAOFactory带来任何影响。
在所有的工厂模式中,我们都强调一点:两个类A和B之间的关系应该仅仅是A创建B或是A使用B,而不能两种关系都有。将对象的创建和使用分离,也使得系统更加符合“单一职责原则”,有利于对功能的复用和系统的维护。

此外,将对象的创建和使用分离还有一个好处:防止用来实例化一个类的数据和代码在多个类中到处都是,可以将有关创建的知识搬移到一个工厂类中,这在Joshua Kerievsky的《重构与模式》一书中有专门的一节来进行介绍。因为有时候我们创建一个对象不只是简单调用其构造函数,还需要设置一些参数,可能还需要配置环境,如果将这些代码散落在每一个创建对象的客户类中,势必会出现代码重复、创建蔓延的问题,而这些客户类其实无须承担对象的创建工作,它们只需使用已创建好的对象就可以了。此时,可以引入工厂类来封装对象的创建逻辑和客户代码的实例化/配置选项。

使用工厂类还有一个“不是特别明显的”优点,一个类可能拥有多个构造函数,而在Java、C#等语言中构造函数名字都与类名相同,客户端只能通过传入不同的参数来调用不同的构造函数创建对象,从构造函数和参数列表中也许大家根本不了解不同构造函数所构造的产品的差异。但如果将对象的创建过程封装在工厂类中,我们可以提供一系列名字完全不同的工厂方法,每一个工厂方法对应一个构造函数,客户端可以以一种更加可读、易懂的方式来创建对象,而且,从一组工厂方法中选择一个意义明确的工厂方法,比从一组名称相同参数不同的构造函数中选择一个构造函数要方便很多。

那么,有人可能会问,是否需要为设计中的每一个类都配备一个工厂类?答案是:具体情况具体分析。如果产品类很简单,而且不存在太多变数,其构造过程也很简单,此时无须为其提供工厂类,直接在使用之前实例化即可,例如Java语言中的String类,我们就无须为它专门提供一个StringFactory,这样做反而有点像杀鸡用牛刀,大材小用,而且会导致工厂泛滥,增加系统的复杂度。

工厂模式是为了将对象的创建和使用分离,也使得系统更加符合“单一职责原则”,有利于对功能的复用和系统的维护,防止用来实例化一个类的数据和代码在多个类中到处都是,可以将有关创建的知识搬移到一个工厂类中

转载:创建对象与使用对象——谈谈工厂的作用

简单工厂模式

简单工厂模式(Simple Factory Pattern):定义一个工厂类,它可以根据参数的不同返回不同类的实例,被创建的实例通常都具有共同的父类。因为在简单工厂模式中用于创建实例的方法是静态(static)方法,因此简单工厂模式又被称为静态工厂方法(Static Factory Method)模式,它属于类创建型模式。

简单工厂模式的要点在于:当你需要什么,只需要传入一个正确的参数,就可以获取你所需要的对象,而无须知道其创建细节。简单工厂模式结构比较简单,其核心是工厂类的设计, 其结构如下图所示。

image.png

在简单工厂模式结构图中包含如下几个角色:

  • Factory(工厂角色):工厂角色即工厂类,它是简单工厂模式的核心,负责实现创建所有产品实例的内部逻辑;工厂类可以被外界直接调用,创建所需的产品对象;在工厂类中提供了静态的工厂方法factoryMethod(),它的返回类型为抽象产品类型Product。
  • Product(抽象产品角色):它是工厂类所创建的所有对象的父类,封装了各种产品对象的公有方法,它的引入将提高系统的灵活性,使得在工厂类中只需定义一个通用的工厂方法,因为所有创建的具体产品对象都是其子类对象。
  • ConcreteProduct(具体产品角色):它是简单工厂模式的创建目标,所有被创建的对象都充当这个角色的某个具体类的实例。每一个具体产品角色都继承了抽象产品角色,需要实现在抽象产品中声明的抽象方法。

在简单工厂模式中,客户端通过工厂类来创建一个产品类的实例,而无须直接使用new关键字来创建对象,它是工厂模式家族中最简单的一员。
在使用简单工厂模式时,首先需要对产品类进行重构,不能设计一个包罗万象的产品类,而需根据实际情况设计一个产品层次结构,将所有产品类公共的代码移至抽象产品类,并在抽象产品类中声明一些抽象方法,以供不同的具体产品类来实现,典型的抽象产品类代码如下所示:

abstract class Product {
    //所有产品类的公共业务方法
    public void methodSame() {
        //公共方法的实现
    }

    //声明抽象业务方法
    public abstract void methodDiff();
}

在具体产品类中实现了抽象产品类中声明的抽象业务方法,不同的具体产品类可以提供不同的实现,典型的具体产品类代码如下所示:

class ConcreteProduct extends Product {
    //实现业务方法
    public void methodDiff() {
        //业务方法的实现
    }
}

简单工厂模式的核心是工厂类,在没有工厂类之前,客户端一般会使用new关键字来直接创建产品对象,而在引入工厂类之后,客户端可以通过工厂类来创建产品,在简单工厂模式中,工厂类提供了一个静态工厂方法供客户端使用,根据所传入的参数不同可以创建不同的产品对象,典型的工厂类代码如下所示:

class Factory {
    //静态工厂方法
    public static Product getProduct(String arg) {
        Product product = null;
        if (arg.equalsIgnoreCase("A")) {
            product = new ConcreteProductA();
            //初始化设置product
        }
        else if (arg.equalsIgnoreCase("B")) {
            product = new ConcreteProductB();
            //初始化设置product
        }
        return product;
    }
}

在客户端代码中,我们通过调用工厂类的工厂方法即可得到产品对象,典型代码如下所示:

class Client {
    public static void main(String args[]) {
        Product product; 
        product = Factory.getProduct("A"); //通过工厂类创建产品对象
        product.methodSame();
        product.methodDiff();
    }
}

简单工厂模式总结:

简单工厂模式提供了专门的工厂类用于创建对象,将对象的创建和对象的使用分离开,它作为一种最简单的工厂模式在软件开发中得到了较为广泛的应用。

  • 优点

    • 工厂类包含必要的判断逻辑,可以决定在什么时候创建哪一个产品类的实例,客户端可以免除直接创建产品对象的职责,而仅仅“消费”产品,简单工厂模式实现了对象创建和使用的分离。
    • 客户端无须知道所创建的具体产品类的类名,只需要知道具体产品类所对应的参数即可,对于一些复杂的类名,通过简单工厂模式可以在一定程度减少使用者的记忆量。
    • 通过引入配置文件,可以在不修改任何客户端代码的情况下更换和增加新的具体产品类,在一定程度上提高了系统的灵活性。
  • 缺点

    • 由于工厂类集中了所有产品的创建逻辑,职责过重,一旦不能正常工作,整个系统都要受到影响。
    • 使用简单工厂模式势必会增加系统中类的个数(引入了新的工厂类),增加了系统的复杂度和理解难度。
    • 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。
    • 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。
  • 适用场景

    • 工厂类负责创建的对象比较少,由于创建的对象较少,不会造成工厂方法中的业务逻辑太过复杂。
    • 工厂类负责创建的对象比较少,由于创建的对象较少,不会造成工厂方法中的业务逻辑太过复杂。

转载:工厂三兄弟之简单工厂模式(二)

工厂方法模式

简单工厂模式虽然简单,但存在一个很严重的问题。当系统中需要引入新产品时,由于静态工厂方法通过所传入参数的不同来创建不同的产品,这必定要修改工厂类的源代码,将违背“开闭原则”,如何实现增加新产品而不影响已有代码?工厂方法模式应运而生.

在工厂方法模式中,我们不再提供一个统一的工厂类来创建所有的产品对象,而是针对不同的产品提供不同的工厂,系统提供一个与产品等级结构对应的工厂等级结构。

工厂方法模式(Factory Method Pattern):定义一个用于创建对象的接口,让子类决定将哪一个类实例化。工厂方法模式让一个类的实例化延迟到其子类。工厂方法模式又简称为工厂模式(Factory Pattern),又可称作虚拟构造器模式(Virtual Constructor Pattern)或多态工厂模式(Polymorphic Factory Pattern)。工厂方法模式是一种类创建型模式。

工厂方法模式提供一个抽象工厂接口来声明抽象工厂方法,而由其子类来具体实现工厂方法,创建具体的产品对象。工厂方法模式结构如图所示:

image.png

在工厂方法模式结构图中包含如下几个角色:

  • Product(抽象产品):它是定义产品的接口,是工厂方法模式所创建对象的超类型,也就是产品对象的公共父类。
  • ConcreteProduct(具体产品):它实现了抽象产品接口,某种类型的具体产品由专门的具体工厂创建,具体工厂和具体产品之间一一对应。
  • Factory(抽象工厂):在抽象工厂类中,声明了工厂方法(Factory Method),用于返回一个产品。抽象工厂是工厂方法模式的核心,所有创建对象的工厂类都必须实现该接口。
  • ConcreteFactory(具体工厂):它是抽象工厂类的子类,实现了抽象工厂中定义的工厂方法,并可由客户端调用,返回一个具体产品类的实例。

与简单工厂模式相比,工厂方法模式最重要的区别是引入了抽象工厂角色,抽象工厂可以是接口,也可以是抽象类或者具体类,其典型代码如下所示:


interface Factory {
    public Product factoryMethod();
}

在实际使用时,具体工厂类在实现工厂方法时除了创建具体产品对象之外,还可以负责产品对象的初始化工作以及一些资源和环境配置工作,例如连接数据库、创建文件等。
在客户端代码中,只需关心工厂类即可,不同的具体工厂可以创建不同的产品,典型的客户端类代码片段如下所示:

Factory factory;
factory = new ConcreteFactory(); //可以结合配置文件和反射机制来实现
Product product;
product = factory.factoryMethod();

可以通过配置文件来存储具体工厂类ConcreteFactory的类名,更换新的具体工厂时无须修改源代码,系统扩展更为方便。

工厂方法模式总结

  • 优点
    • 在工厂方法模式中,工厂方法用来创建客户所需要的产品,同时还向客户隐藏了哪种具体产品类将被实例化这一细节,用户只需要关心所需产品对应的工厂,无须关心创建细节,甚至无须知道具体产品类的类名。
    • 基于工厂角色和产品角色的多态性设计是工厂方法模式的关键。它能够让工厂可以自主确定创建何种产品对象,而如何创建这个对象的细节则完全封装在具体工厂内部。工厂方法模式之所以又被称为多态工厂模式,就正是因为所有的具体工厂类都具有同一抽象父类。
    • 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”。
  • 缺点
    • 在添加新产品时,需要编写新的具体产品类,而且还要提供与之对应的具体工厂类,系统中类的个数将成对增加,在一定程度上增加了系统的复杂度,有更多的类需要编译和运行,会给系统带来一些额外的开销。
    • 由于考虑到系统的可扩展性,需要引入抽象层,在客户端代码中均使用抽象层进行定义,增加了系统的抽象性和理解难度,且在实现时可能需要用到DOM、反射等技术,增加了系统的实现难度。
  • 适用场景
    • 客户端不知道它所需要的对象的类。在工厂方法模式中,客户端不需要知道具体产品类的类名,只需要知道所对应的工厂即可,具体的产品对象由具体工厂类创建,可将具体工厂类的类名存储在配置文件或数据库中。
    • 抽象工厂类通过其子类来指定创建哪个对象。在工厂方法模式中,对于抽象工厂类只需要提供一个创建产品的接口,而由其子类来确定具体要创建的对象,利用面向对象的多态性和里氏代换原则,在程序运行时,子类对象将覆盖父类对象,从而使得系统更容易扩展。

参考:工厂三兄弟之工厂方法模式(三)

抽象工厂模式

抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern):提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口,而无须指定它们具体的类。抽象工厂模式又称为Kit模式,它是一种对象创建型模式。

在抽象工厂模式中,每一个具体工厂都提供了多个工厂方法用于产生多种不同类型的产品,这些产品构成了一个产品族,抽象工厂模式结构如图所示:

image.png

在抽象工厂模式结构图中包含如下几个角色:

  • AbstractFactory(抽象工厂):它声明了一组用于创建一族产品的方法,每一个方法对应一种产品。
  • ConcreteFactory(具体工厂):它实现了在抽象工厂中声明的创建产品的方法,生成一组具体产品,这些产品构成了一个产品族,每一个产品都位于某个产品等级结构中。
  • AbstractProduct(抽象产品):它为每种产品声明接口,在抽象产品中声明了产品所具有的业务方法。
  • ConcreteProduct(具体产品):它定义具体工厂生产的具体产品对象,实现抽象产品接口中声明的业务方法。

在抽象工厂中声明了多个工厂方法,用于创建不同类型的产品,抽象工厂可以是接口,也可以是抽象类或者具体类,其典型代码如下所示:

class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory {
        //工厂方法一
        public AbstractProductA createProductA() {
            return new ConcreteProductA1();
        }

        //工厂方法二
        public AbstractProductB createProductB() {
            return new ConcreteProductB1();
        }

        ……
}

与工厂方法模式一样,抽象工厂模式也可为每一种产品提供一组重载的工厂方法,以不同的方式对产品对象进行创建。

具体工厂实现了抽象工厂,每一个具体的工厂方法可以返回一个特定的产品对象,而同一个具体工厂所创建的产品对象构成了一个产品族。

开闭原则”的倾斜性

在抽象工厂模式中,增加新的产品族很方便,但是增加新的产品等级结构很麻烦,抽象工厂模式的这种性质称为“开闭原则”的倾斜性。“开闭原则”要求系统对扩展开放,对修改封闭,通过扩展达到增强其功能的目的,对于涉及到多个产品族与多个产品等级结构的系统,其功能增强包括两方面:

  • 增加产品族:对于增加新的产品族,抽象工厂模式很好地支持了“开闭原则”,只需要增加具体产品并对应增加一个新的具体工厂,对已有代码无须做任何修改。
  • 加新的产品等级结构:对于增加新的产品等级结构,需要修改所有的工厂角色,包括抽象工厂类,在所有的工厂类中都需要增加生产新产品的方法,违背了“开闭原则”。

正因为抽象工厂模式存在“开闭原则”的倾斜性,它以一种倾斜的方式来满足“开闭原则”,为增加新产品族提供方便,但不能为增加新产品结构提供这样的方便,因此要求设计人员在设计之初就能够全面考虑,不会在设计完成之后向系统中增加新的产品等级结构,也不会删除已有的产品等级结构,否则将会导致系统出现较大的修改,为后续维护工作带来诸多麻烦。

抽象工厂模式总结

  • 优点
    • 抽象工厂模式隔离了具体类的生成,使得客户并不需要知道什么被创建。由于这种隔离,更换一个具体工厂就变得相对容易,所有的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的那些公共接口,因此只需改变具体工厂的实例,就可以在某种程度上改变整个软件系统的行为。
    • 当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时,它能够保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。
    • 增加新的产品族很方便,无须修改已有系统,符合“开闭原则”。
  • 缺点
    • 增加新的产品等级结构麻烦,需要对原有系统进行较大的修改,甚至需要修改抽象层代码,这显然会带来较大的不便,违背了“开闭原则”。
  • 适用场景
    • 一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节,这对于所有类型的工厂模式都是很重要的,用户无须关心对象的创建过程,将对象的创建和使用解耦。
    • 系统中有多于一个的产品族,而每次只使用其中某一产品族。可以通过配置文件等方式来使得用户可以动态改变产品族,也可以很方便地增加新的产品族。
    • 属于同一个产品族的产品将在一起使用,这一约束必须在系统的设计中体现出来。同一个产品族中的产品可以是没有任何关系的对象,但是它们都具有一些共同的约束,如同一操作系统下的按钮和文本框,按钮与文本框之间没有直接关系,但它们都是属于某一操作系统的,此时具有一个共同的约束条件:操作系统的类型。
    • 产品等级结构稳定,设计完成之后,不会向系统中增加新的产品等级结构或者删除已有的产品等级结构。

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