工厂方法模式概述
在简单工厂模式中只提供一个工厂类，该工厂类处于对产品类进行实例化的中心位置，它需要知道每一个产品对象的创建细节，并决定何时实例化哪一个产品类。简单工厂模式最大的缺点是当有新产品要加入到系统中时，必须修改工厂类，需要在其中加入必要的业务逻辑，这违背了“开闭原则”。此外，在简单工厂模式中，所有的产品都由同一个工厂创建，工厂类职责较重，业务逻辑较为复杂，具体产品与工厂类之间的耦合度高，严重影响了系统的灵活性和扩展性，而工厂方法模式则可以很好地解决这一问题。
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。工厂方法模式定义如下：
| 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2所示：
图2 工厂方法模式结构图
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();
- }
在抽象工厂中声明了工厂方法但并未实现工厂方法，具体产品对象的创建由其子类负责，客户端针对抽象工厂编程，可在运行时再指定具体工厂类，具体工厂类实现了工厂方法，不同的具体工厂可以创建不同的具体产品，其典型代码如下所示：
- class ConcreteFactory implements Factory {
- public Product factoryMethod() {
- return new ConcreteProduct();
- }
- }
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(); //可通过配置文件实现
- 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。
例子：
Sunny软件公司欲开发一个系统运行日志记录器(Logger)，该记录器可以通过多种途径保存系统的运行日志，如通过文件记录或数据库记录，用户可以通过修改配置文件灵活地更换日志记录方式。在设计各类日志记录器时，Sunny公司的开发人员发现需要对日志记录器进行一些初始化工作，初始化参数的设置过程较为复杂，而且某些参数的设置有严格的先后次序，否则可能会发生记录失败。如何封装记录器的初始化过程并保证多种记录器切换的灵活性是Sunny公司开发人员面临的一个难题。
完整解决方案
Sunny公司开发人员决定使用工厂方法模式来设计日志记录器，其基本结构如图3所示：
图3 日志记录器结构图
在图3中，Logger接口充当抽象产品，其子类FileLogger和DatabaseLogger充当具体产品，LoggerFactory接口充当抽象工厂，其子类FileLoggerFactory和DatabaseLoggerFactory充当具体工厂。完整代码如下所示：
- //日志记录器接口：抽象产品
- interface Logger {
- public void writeLog();
- }
- //数据库日志记录器：具体产品
- class DatabaseLogger implements Logger {
- public void writeLog() {
- System.out.println("数据库日志记录。");
- }
- }
- //文件日志记录器：具体产品
- class FileLogger implements Logger {
- public void writeLog() {
- System.out.println("文件日志记录。");
- }
- }
- //日志记录器工厂接口：抽象工厂
- interface LoggerFactory {
- public Logger createLogger();
- }
- //数据库日志记录器工厂类：具体工厂
- class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {
- public Logger createLogger() {
- //连接数据库，代码省略
- //创建数据库日志记录器对象
- Logger logger = new DatabaseLogger();
- //初始化数据库日志记录器，代码省略
- return logger;
- }
- }
- //文件日志记录器工厂类：具体工厂
- class FileLoggerFactory implements LoggerFactory {
- public Logger createLogger() {
- //创建文件日志记录器对象
- Logger logger = new FileLogger();
- //创建文件，代码省略
- return logger;
- }
- }
编写如下客户端测试代码：
- class Client {
- public static void main(String args[]) {
- LoggerFactory factory;
- Logger logger;
- factory = new FileLoggerFactory(); //可引入配置文件实现
- logger = factory.createLogger();
- logger.writeLog();
- }
- }
编译并运行程序，输出结果如下：
| 文件日志记录。 |
重载的工厂方法
Sunny公司开发人员通过进一步分析，发现可以通过多种方式来初始化日志记录器，例如可以为各种日志记录器提供默认实现；还可以为数据库日志记录器提供数据库连接字符串，为文件日志记录器提供文件路径；也可以将参数封装在一个Object类型的对象中，通过Object对象将配置参数传入工厂类。此时，可以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。当然，对于同一个具体工厂而言，无论使用哪个工厂方法，创建的产品类型均要相同。如图4所示：
图4 重载的工厂方法结构图
引入重载方法后，抽象工厂LoggerFactory的代码修改如下：
- interface LoggerFactory {
- public Logger createLogger();
- public Logger createLogger(String args);
- public Logger createLogger(Object obj);
- }
具体工厂类DatabaseLoggerFactory代码修改如下：
- class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {
- public Logger createLogger() {
- //使用默认方式连接数据库，代码省略
- Logger logger = new DatabaseLogger();
- //初始化数据库日志记录器，代码省略
- return logger;
- }
- public Logger createLogger(String args) {
- //使用参数args作为连接字符串来连接数据库，代码省略
- Logger logger = new DatabaseLogger();
- //初始化数据库日志记录器，代码省略
- return logger;
- }
- public Logger createLogger(Object obj) {
- //使用封装在参数obj中的连接字符串来连接数据库，代码省略
- Logger logger = new DatabaseLogger();
- //使用封装在参数obj中的数据来初始化数据库日志记录器，代码省略
- return logger;
- }
- }
- //其他具体工厂类代码省略
在抽象工厂中定义多个重载的工厂方法，在具体工厂中实现了这些工厂方法，这些方法可以包含不同的业务逻辑，以满足对不同产品对象的需求。
工厂方法的隐藏
有时候，为了进一步简化客户端的使用，还可以对客户端隐藏工厂方法，此时，在工厂类中将直接调用产品类的业务方法，客户端无须调用工厂方法创建产品，直接通过工厂即可使用所创建的对象中的业务方法。
如果对客户端隐藏工厂方法，日志记录器的结构图将修改为图5所示：
图5 隐藏工厂方法后的日志记录器结构图
在图5中，抽象工厂类LoggerFactory的代码修改如下：
- //改为抽象类
- abstract class LoggerFactory {
- //在工厂类中直接调用日志记录器类的业务方法writeLog()
- public void writeLog() {
- Logger logger = this.createLogger();
- logger.writeLog();
- }
- public abstract Logger createLogger();
- }
客户端代码修改如下：
- class Client {
- public static void main(String args[]) {
- LoggerFactory factory;
- factory = (LoggerFactory)XMLUtil.getBean();
- factory.writeLog(); //直接使用工厂对象来调用产品对象的业务方法
- }
- }
通过将业务方法的调用移入工厂类，可以直接使用工厂对象来调用产品对象的业务方法，客户端无须直接使用工厂方法，在某些情况下我们也可以使用这种设计方案。
工厂方法模式总结
工厂方法模式是简单工厂模式的延伸，它继承了简单工厂模式的优点，同时还弥补了简单工厂模式的不足。工厂方法模式是使用频率最高的设计模式之一，是很多开源框架和API类库的核心模式。
1. 主要优点
工厂方法模式的主要优点如下：
(1) 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。
(2) 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。
(3) 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”。
2. 主要缺点
工厂方法模式的主要缺点如下：
(1) 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。
(2) 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。
3. 适用场景
在以下情况下可以考虑使用工厂方法模式：
(1) 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。
(2) 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。
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