大话设计模式，创建型模式之抽象工厂模式

模式动机与定义

介绍

意图：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。

主要解决：主要解决接口选择的问题。

何时使用：系统的产品有多于一个的产品族，而系统只消费其中某一族的产品。

如何解决：在一个产品族里面，定义多个产品。

关键代码：在一个工厂里聚合多个同类产品。

应用实例：工作了，为了参加一些聚会，肯定有两套或多套衣服吧，比如说有商务装（成套，一系列具体产品）、时尚装（成套，一系列具体产品），甚至对于一个家庭来说，可能有商务女装、商务男装、时尚女装、时尚男装，这些也都是成套的，即一系列具体产品。假设一种情况（现实中是不存在的，要不然，没法进入共产主义了，但有利于说明抽象工厂模式），在您的家中，某一个衣柜（具体工厂）只能存放某一种这样的衣服（成套，一系列具体产品），每次拿这种成套的衣服时也自然要从这个衣柜中取出了。用 OOP 的思想去理解，所有的衣柜（具体工厂）都是衣柜类的（抽象工厂）某一个，而每一件成套的衣服又包括具体的上衣（某一具体产品），裤子（某一具体产品），这些具体的上衣其实也都是上衣（抽象产品），具体的裤子也都是裤子（另一个抽象产品）。

优点：当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时，它能保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。

缺点：产品族扩展非常困难，要增加一个系列的某一产品，既要在抽象的 Creator 里加代码，又要在具体的里面加代码。

使用场景： 1、QQ 换皮肤，一整套一起换。 2、生成不同操作系统的程序。

注意事项：产品族难扩展，产品等级易扩展。

模式动机

• 在工厂方法模式中具体工厂负责生产具体的产品，每一个具体工厂对应一种具体产品，工厂方法也具有唯一性，一般情况下，一个具体工厂中只有一个工厂方法或者一组重载的工厂方法。但是有时候我们需要一个工厂可以提供多个产品对象，而不是单一的产品对象。

  为了更清晰地理解工厂方法模式，需要先引入两个概念：

  • 产品等级结构 ：产品等级结构即产品的继承结构，如一个抽象类是电视机，其子类有海尔电视机、海信电视机、TCL电视机，则抽象电视机与具体品牌的电视机之间构成了一个产品等级结构，抽象电视机是父类，而具体品牌的电视机是其子类。
  • 产品族 ：在抽象工厂模式中，产品族是指由同一个工厂生产的，位于不同产品等级结构中的一组产品，如海尔电器工厂生产的海尔电视机、海尔电冰箱，海尔电视机位于电视机产品等级结构中，海尔电冰箱位于电冰箱产品等级结构中。
  • 产品族与产品等级结构示意图：

• 当系统所提供的工厂所需生产的具体产品并不是一个简单的对象，而是多个位于不同产品等级结构中属于不同类型的具体产品时需要使用抽象工厂模式。
• 抽象工厂模式是所有形式的工厂模式中最为抽象和最具一般性的一种形态。
• 抽象工厂模式与工厂方法模式最大的区别在于，工厂方法模式针对的是一个产品等级结构，而抽象工厂模式则需要面对多个产品等级结构，一个工厂等级结构可以负责多个不同产品等级结构中的产品对象的创建 。当一个工厂等级结构可以创建出分属于不同产品等级结构的一个产品族中的所有对象时，抽象工厂模式比工厂方法模式更为简单、有效率。

定义

抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）隶属于设计模式中的创建型模式，用于产品族的构建。抽象工厂是所有形态的工厂模式中最为抽象和最具一般性的一种形态。抽象工厂是指当有多个抽象角色时使用的一种工厂模式。抽象工厂模式可以向客户端提供一个接口，使客户端在不必指定产品的具体情况下，创建多个产品族中的产品对象。 
工厂模式中的每一个形态都是针对一定问题的解决方案，工厂方法针对的是多个产品系列结构；而抽象工厂模式针对的是多个产品族结构，一个产品族内有多个产品系列。

模式结构与分析

模式结构

在抽象工厂模式中有如下角色：

• AbstractFactory：抽象工厂，它声明了用来创建不同产品的方法。
• ConcreteFactory：具体工厂，实现抽象工厂中定义的创建产品的方法。
• AbstractProduct：抽象产品，为每种产品声明业务方法。比如上图的AbstractProductA和
  AbstractProductB。
• ConcreteProduct：具体产品，定义具体工厂生产的具体产品，并实现抽象产品中定义的业务方法。

模式分析

抽象工厂类的典型代码如下：

public abstract class AbstractFactory {
	public abstract AbstractProductA createProductA();

	public abstract AbstractProductB createProductB();
}

具体工厂类的典型代码如下：

public class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory
{
    public AbstractProductA createProductA()
    {
        return new ConcreteProductA1();
    }
    public AbstractProductB createProductB()
    {
        return new ConcreteProductB1();
    } 
}

模式实例与解析

模式实例与解析

实例一：电器工厂

一个电器工厂可以产生多种类型的电器，如海尔工厂可以生产海尔电视机、海尔空调等，TCL工厂可以生产TCL电视机、TCL空调等，相同品牌的电器构成一个产品族，而相同类型的电器构成了一个产品等级结构，现使用抽象工厂模式模拟该场景。

//抽象产品 Television
public interface Television
{
    public void play();
}

//具体产品 HaierTelevision
public class HaierTelevision implements Television
{
    public void play()
    {
        System.out.println("海尔电视机播放中......");
    }
}

//具体产品 TCLTelevision
public class TCLTelevision implements Television
{
    public void play()
    {
        System.out.println("TCL电视机播放中......");
    }
}

//抽象产品 AirConditioner
public interface AirConditioner
{
    public void changeTemperature();
}

//具体产品 HaierAirConditioner
public class HaierAirConditioner implements AirConditioner
{
    public void changeTemperature()
    {
        System.out.println("海尔空调温度改变中......");
    }
}

//具体产品 TCLAirConditioner
public class TCLAirConditioner implements AirConditioner
{
    public void changeTemperature()
    {
        System.out.println("TCL空调温度改变中......");
    }
}

//抽象工厂 EFactory
public interface EFactory
{
    public Television produceTelevision();
    public AirConditioner produceAirConditioner();
}

//具体工厂 HaierFactory
public class HaierFactory implements EFactory
{
    public Television produceTelevision()
    {
        return new HaierTelevision();
    }
    
    public AirConditioner produceAirConditioner()
    {
        return new HaierAirConditioner();
    }
}

//具体工厂 TCLFactory
public class TCLFactory implements EFactory
{
    public Television produceTelevision()
    {
        return new TCLTelevision();
    }
    
    public AirConditioner produceAirConditioner()
    {
        return new TCLAirConditioner();
    }
}

//配置文件 config.xml
<?xml version="1.0"?>
<config>
    <className>HaierFactory</className>
</config>

//通过反射获得具体工厂的实例 XMLUtil
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import org.xml.sax.SAXException;
import java.io.*;
public class XMLUtil
{
//该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象
    public static Object getBean()
    {
        try
        {
            //创建文档对象
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;                            
            doc = builder.parse(new File("config.xml")); 
        
            //获取包含类名的文本节点
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();
            String cName=classNode.getNodeValue();
            
            //通过类名生成实例对象并将其返回
            Class c=Class.forName(cName);
              Object obj=c.newInstance();
            return obj;
           }   
               catch(Exception e)
               {
                   e.printStackTrace();
                   return null;
               }
        }
}

//客户端类 Client
public class Client
{
    public static void main(String args[])
    {
         try
         {
             EFactory factory;
             Television tv;
             AirConditioner ac;
             factory=(EFactory)XMLUtil.getBean();
             tv=factory.produceTelevision();
             tv.play();
             ac=factory.produceAirConditioner();
             ac.changeTemperature();
         }
         catch(Exception e)
         {
             System.out.println(e.getMessage());
         }
    }
}

运行结果：

实例二：数据库操作工厂

某系统为了改进数据库操作的性能，自定义数据库连接对象Connection和语句对象Statement，可针对不同类型的数据库提供不同的连接对象和语句对象，如提供Oracle或SQL Server专用连接类和语句类，而且用户可以通过配置文件等方式根据实际需要动态更换系统数据库。使用抽象工厂模式设计该系统。

模式效果与应用

模式效果

工厂模式的优点：

• 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。另外，应用抽象工厂模式可以实现高内聚低耦合的设计目的，因此抽象工厂模式得到了广泛的应用。

• 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。这对一些需要根据当前环境来决定其行为的软件系统来说，是一种非常实用的设计模式。

• 增加新的具体工厂和产品族很方便，无须修改已有系统，符合“开闭原则”。

工厂模式的缺点：

• 在添加新的产品对象时，难以扩展抽象工厂来生产新种类的产品，这是因为在抽象工厂角色中规定了所有可能被创建的产品集合，要支持新种类的产品就意味着要对该接口进行扩展，而这将涉及到对抽象工厂角色及其所有子类的修改，显然会带来较大的不便。

• 开闭原则的倾斜性（增加新的工厂和产品族容易，增加新的产品等级结构麻烦）

模式应用

1. Java SE AWT（抽象窗口工具包）

   在Java语言的AWT（抽象窗口工具包）中就使用了抽象工厂模式，它使用抽象工厂模式来实现在不同的操作系统中应用程序呈现与所在操作系统一致的外观界面。
   

2. 在很多软件系统中需要更换界面主题，要求界面中的按钮、文本框、背景色等一起发生改变时，可以使用抽象工厂模式进行设计。

模式扩展

“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：

1. 增加产品族：对于增加新的产品族，工厂方法模式很好的支持了“开闭原则”，对于新增加的产品族，只需要对应增加一个新的具体工厂即可，对已有代码无须做任何修改。

2. 增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，不能很好地支持“开闭原则”。

• 抽象工厂模式的这种性质称为“开闭原则”的倾斜性，抽象工厂模式以一种倾斜的方式支持增加新的产品，它为新产品族的增加提供方便，但不能为新的产品等级结构的增加提供这样的方便。

工厂模式的退化

当抽象工厂模式中每一个具体工厂类只创建一个产品对象，也就是只存在一个产品等级结构时，抽象工厂模式退化成工厂方法模式；当工厂方法模式中抽象工厂与具体工厂合并，提供一个统一的工厂来创建产品对象，并将创建对象的工厂方法设计为静态方法时，工厂方法模式退化成简单工厂模式。