Day02 - 设计模式 - 4.创建型模式 - 4.2 工厂模式

4，创建型模式

4.2 工厂模式

🧠 理论理解

工厂模式通过统一管理对象的创建过程，实现了对象创建与使用分离。本质目的是解耦：使用者不需要知道对象的具体创建细节，只关心接口。
工厂模式属于创建型模式，主要有三种演变：

• 简单工厂模式

• 工厂方法模式

• 抽象工厂模式

🏢 企业实战

• 字节跳动：推荐系统中召回模块采用工厂模式动态创建不同召回策略对象。

• 阿里巴巴：支付系统中，使用工厂方法生成不同渠道（支付宝、微信、花呗分期）支付策略。

• OpenAI：在ChatGPT插件系统中，第三方插件实例通过工厂模式动态注册与加载，保证扩展灵活性。

4.2.1 概述

需求：设计一个咖啡店点餐系统。

设计一个咖啡类（Coffee），并定义其两个子类（美式咖啡【AmericanCoffee】和拿铁咖啡【LatteCoffee】）；再设计一个咖啡店类（CoffeeStore），咖啡店具有点咖啡的功能。

具体类的设计如下：

在java中，万物皆对象，这些对象都需要创建，如果创建的时候直接new该对象，就会对该对象耦合严重，假如我们要更换对象，所有new对象的地方都需要修改一遍，这显然违背了软件设计的开闭原则。如果我们使用工厂来生产对象，我们就只和工厂打交道就可以了，彻底和对象解耦，如果要更换对象，直接在工厂里更换该对象即可，达到了与对象解耦的目的；所以说，工厂模式最大的优点就是：解耦。

在本教程中会介绍三种工厂的使用

• 简单工厂模式（不属于GOF的23种经典设计模式）

• 工厂方法模式

• 抽象工厂模式

🧠 理论理解

直接使用new创建对象会造成代码与具体类强耦合，如果要更换对象，需要修改大量代码，违背了开闭原则。工厂通过封装对象创建过程，使得系统在扩展新对象时只需修改工厂代码或新增工厂类，不影响调用端。

🏢 企业实战

• 腾讯云COS存储服务：通过工厂模式动态实例化不同地区、不同存储类型的存储对象（标准存储、归档存储）。

• 英伟达 AI推理服务（NVIDIA Triton Inference Server）：模型实例通过工厂动态创建，支持TensorFlow、ONNX等多后端。

4.2.2 简单工厂模式

简单工厂不是一种设计模式，反而比较像是一种编程习惯。

4.2.2.1 结构

简单工厂包含如下角色：

• 抽象产品 ：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。

• 具体产品 ：实现或者继承抽象产品的子类

• 具体工厂 ：提供了创建产品的方法，调用者通过该方法来获取产品。

🧠 理论理解

简单工厂中，一个工厂类根据参数返回不同子类实例。它是静态方法+集中管理创建逻辑的实践，不是真正意义上的设计模式，更像是编码习惯。

🏢 企业实战

• 阿里巴巴外卖业务（饿了么）：订单不同类型（堂食、外卖、自提）通过简单工厂创建对应服务实例。

• 字节跳动广告系统：不同广告投放方式（CPC/CPM/OCPC）通过简单工厂快速实例化投放对象。

4.2.2.2 实现

现在使用简单工厂对上面案例进行改进，类图如下：

工厂类代码如下：

public class SimpleCoffeeFactory {
​
    public Coffee createCoffee(String type) {
        Coffee coffee = null;
        if("americano".equals(type)) {
            coffee = new AmericanoCoffee();
        } else if("latte".equals(type)) {
            coffee = new LatteCoffee();
        }
        return coffee;
    }
}

工厂（factory）处理创建对象的细节，一旦有了SimpleCoffeeFactory，CoffeeStore类中的orderCoffee()就变成此对象的客户，后期如果需要Coffee对象直接从工厂中获取即可。这样也就解除了和Coffee实现类的耦合，同时又产生了新的耦合，CoffeeStore对象和SimpleCoffeeFactory工厂对象的耦合，工厂对象和商品对象的耦合。

后期如果再加新品种的咖啡，我们势必要需求修改SimpleCoffeeFactory的代码，违反了开闭原则。工厂类的客户端可能有很多，比如创建美团外卖等，这样只需要修改工厂类的代码，省去其他的修改操作。

🧠 理论理解

• 客户端不直接new对象，而是调用工厂的createXXX方法。

• 工厂内部根据参数返回不同子类实例。

🏢 企业实战

• Google Ads系统：简单工厂根据广告类型创建Banner广告、原生广告、插屏广告对象，降低前端SDK耦合度。

4.2.2.4 优缺点

优点：

封装了创建对象的过程，可以通过参数直接获取对象。把对象的创建和业务逻辑层分开，这样以后就避免了修改客户代码，如果要实现新产品直接修改工厂类，而不需要在原代码中修改，这样就降低了客户代码修改的可能性，更加容易扩展。

缺点：

增加新产品时还是需要修改工厂类的代码，违背了“开闭原则”。

🧠 理论理解

静态工厂是将createObject()方法定义为static，调用时无需实例化工厂对象，进一步简化使用，但也会失去继承扩展的灵活性。

🏢 企业实战

• AWS SDK for Java：静态工厂方法广泛用于快速生成AWS服务客户端（如S3Client.builder().build()）。

4.2.2.3 扩展

静态工厂

在开发中也有一部分人将工厂类中的创建对象的功能定义为静态的，这个就是静态工厂模式，它也不是23种设计模式中的。代码如下：

public class SimpleCoffeeFactory {
​
    public static Coffee createCoffee(String type) {
        Coffee coffee = null;
        if("americano".equals(type)) {
            coffee = new AmericanoCoffee();
        } else if("latte".equals(type)) {
            coffee = new LatteCoffee();
        }
        return coffe;
    }
}

4.2.2.4 优缺点

🧠 理论理解

优点	缺点
封装了创建逻辑，降低调用者复杂度	新增子类需要修改工厂类，违反开闭原则

🏢 企业实战

• 阿里巴巴钉钉平台：早期简单工厂使用频繁，但后来为了遵循开闭原则，大量改为工厂方法模式。

4.2.3 工厂方法模式

针对上例中的缺点，使用工厂方法模式就可以完美的解决，完全遵循开闭原则。

4.2.3.1 概念

定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪个产品类对象。工厂方法使一个产品类的实例化延迟到其工厂的子类。

🧠 理论理解

工厂方法模式：将对象的创建延迟到子类。每个产品子类对应一个专属的工厂子类，满足开闭原则：新增产品时只新增工厂类，不修改已有代码。

🏢 企业实战

• 字节跳动抖音短视频系统：不同短视频特效（滤镜、贴纸、变声）通过工厂方法模式创建，扩展新特效无需修改主流程。

• Google Cloud Storage：对象存储Client连接器按存储后端（GCS/S3/Azure）由独立工厂创建。

4.2.3.2 结构

工厂方法模式的主要角色：

• 抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，调用者通过它访问具体工厂的工厂方法来创建产品。

• 具体工厂（ConcreteFactory）：主要是实现抽象工厂中的抽象方法，完成具体产品的创建。

• 抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。

• 具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间一一对应。

 

🧠 理论理解

工厂方法模式角色：

• 抽象工厂（定义产品生产规范）

• 具体工厂（生产具体产品）

• 抽象产品

• 具体产品

通过多态实现不同产品的动态切换。

🏢 企业实战

• OpenAI插件管理系统：每种插件类型（搜索插件、购物插件、旅游插件）由独立工厂生成，做到新增插件无需改主程序。

4.2.3.3 实现

使用工厂方法模式对上例进行改进，类图如下：

代码如下：

抽象工厂：

public interface CoffeeFactory {
​
    Coffee createCoffee();
}

具体工厂：

public class LatteCoffeeFactory implements CoffeeFactory {
​
    public Coffee createCoffee() {
        return new LatteCoffee();
    }
}
​
public class AmericanCoffeeFactory implements CoffeeFactory {
​
    public Coffee createCoffee() {
        return new AmericanCoffee();
    }
}

咖啡店类：

public class CoffeeStore {
​
    private CoffeeFactory factory;
​
    public CoffeeStore(CoffeeFactory factory) {
        this.factory = factory;
    }
​
    public Coffee orderCoffee(String type) {
        Coffee coffee = factory.createCoffee();
        coffee.addMilk();
        coffee.addsugar();
        return coffee;
    }
}

从以上的编写的代码可以看到，要增加产品类时也要相应地增加工厂类，不需要修改工厂类的代码了，这样就解决了简单工厂模式的缺点。

工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象。由于使用了多态性，工厂方法模式保持了简单工厂模式的优点，而且克服了它的缺点。

🧠 理论理解

每种产品（如拿铁、美式咖啡）都有自己专属的工厂。客户端通过传入不同工厂对象，创建不同产品实例，完全符合开闭原则。

🏢 企业实战

• NVIDIA AIGC推理平台：不同类型的推理任务（文本生成、图像生成、音频生成）通过工厂方法模式灵活扩展。

4.2.3.4 优缺点

优点：

• 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品，无须知道产品的具体创建过程；

• 在系统增加新的产品时只需要添加具体产品类和对应的具体工厂类，无须对原工厂进行任何修改，满足开闭原则；

缺点：

• 每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类，这增加了系统的复杂度。

🧠 理论理解

优点	缺点
完全符合开闭原则，新增产品无须修改已有逻辑	增加系统复杂性，类数量增加

🏢 企业实战

• 腾讯云TDSQL分布式数据库：每种引擎实例（MySQL、PostgreSQL、MariaDB）独立工厂生成，灵活且扩展性强。

4.2.4 抽象工厂模式

前面介绍的工厂方法模式中考虑的是一类产品的生产，如畜牧场只养动物、电视机厂只生产电视机、传智播客只培养计算机软件专业的学生等。

这些工厂只生产同种类产品，同种类产品称为同等级产品，也就是说：工厂方法模式只考虑生产同等级的产品，但是在现实生活中许多工厂是综合型的工厂，能生产多等级（种类） 的产品，如电器厂既生产电视机又生产洗衣机或空调，大学既有软件专业又有生物专业等。

本节要介绍的抽象工厂模式将考虑多等级产品的生产，将同一个具体工厂所生产的位于不同等级的一组产品称为一个产品族，下图所示横轴是产品等级，也就是同一类产品；纵轴是产品族，也就是同一品牌的产品，同一品牌的产品产自同一个工厂。

 

4.2.4.1 概念

是一种为访问类提供一个创建一组相关或相互依赖对象的接口，且访问类无须指定所要产品的具体类就能得到同族的不同等级的产品的模式结构。

抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本，工厂方法模式只生产一个等级的产品，而抽象工厂模式可生产多个等级的产品。

🧠 理论理解

抽象工厂模式提供一个接口，用于创建一族相关或相互依赖的对象，而无需指定具体类。适合"一个产品族"整体变化的场景，比如同时换一套皮肤、界面、交互元素。

🏢 企业实战

• 字节跳动今日头条客户端：不同皮肤主题（黑夜模式、护眼模式）通过抽象工厂一次性切换UI组件、图标、背景。

• Google Android系统：主题换肤（Theme）机制本质使用了抽象工厂。

4.2.4.2 结构

抽象工厂模式的主要角色如下：

• 抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，它包含多个创建产品的方法，可以创建多个不同等级的产品。

• 具体工厂（Concrete Factory）：主要是实现抽象工厂中的多个抽象方法，完成具体产品的创建。

• 抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能，抽象工厂模式有多个抽象产品。

• 具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它 同具体工厂之间是多对一的关系。

🧠 理论理解

抽象工厂模式角色：

• 抽象工厂（提供创建不同产品族的接口）

• 具体工厂（实现具体产品组合）

• 抽象产品族（产品等级结构）

• 具体产品族（实际产品组合）

🏢 企业实战

• 阿里云桌面（Cloud Desktop）：不同操作系统桌面环境（Windows、Linux）由抽象工厂动态创建并配置相关软件和环境。

4.2.4.2 实现

现咖啡店业务发生改变，不仅要生产咖啡还要生产甜点，如提拉米苏、抹茶慕斯等，要是按照工厂方法模式，需要定义提拉米苏类、抹茶慕斯类、提拉米苏工厂、抹茶慕斯工厂、甜点工厂类，很容易发生类爆炸情况。其中拿铁咖啡、美式咖啡是一个产品等级，都是咖啡；提拉米苏、抹茶慕斯也是一个产品等级；拿铁咖啡和提拉米苏是同一产品族（也就是都属于意大利风味），美式咖啡和抹茶慕斯是同一产品族（也就是都属于美式风味）。所以这个案例可以使用抽象工厂模式实现。类图如下：

代码如下：

抽象工厂：

public interface DessertFactory {
​
    Coffee createCoffee();
​
    Dessert createDessert();
}

具体工厂：

//美式甜点工厂
public class AmericanDessertFactory implements DessertFactory {
​
    public Coffee createCoffee() {
        return new AmericanCoffee();
    }
​
    public Dessert createDessert() {
        return new MatchaMousse();
    }
}
//意大利风味甜点工厂
public class ItalyDessertFactory implements DessertFactory {
​
    public Coffee createCoffee() {
        return new LatteCoffee();
    }
​
    public Dessert createDessert() {
        return new Tiramisu();
    }
}

如果要加同一个产品族的话，只需要再加一个对应的工厂类即可，不需要修改其他的类。

🧠 理论理解

工厂不仅能创建单一对象，还能创建一组（多个等级）对象，比如创建一套：拿铁咖啡 + 提拉米苏甜点。

🏢 企业实战

• OpenAI GPT-4 API插件市场：不同插件组（如购物助手组、社交助手组）通过抽象工厂批量加载。

4.2.4.3 优缺点

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：

当产品族中需要增加一个新的产品时，所有的工厂类都需要进行修改。

🏢 企业实战

• 京东物流系统：不同配送链路（快递、冷链、大件）抽象为不同工厂，保证同链路配置一致。

4.2.4.4 使用场景

• 当需要创建的对象是一系列相互关联或相互依赖的产品族时，如电器工厂中的电视机、洗衣机、空调等。

• 系统中有多个产品族，但每次只使用其中的某一族产品。如有人只喜欢穿某一个品牌的衣服和鞋。

• 系统中提供了产品的类库，且所有产品的接口相同，客户端不依赖产品实例的创建细节和内部结构。

如：输入法换皮肤，一整套一起换。生成不同操作系统的程序。

4.2.5 模式扩展

简单工厂+配置文件解除耦合

可以通过工厂模式+配置文件的方式解除工厂对象和产品对象的耦合。在工厂类中加载配置文件中的全类名，并创建对象进行存储，客户端如果需要对象，直接进行获取即可。

第一步：定义配置文件

为了演示方便，我们使用properties文件作为配置文件，名称为bean.properties

american=com.itheima.pattern.factory.config_factory.AmericanCoffee
latte=com.itheima.pattern.factory.config_factory.LatteCoffee

第二步：改进工厂类

public class CoffeeFactory {
​
    private static Map<String,Coffee> map = new HashMap();
​
    static {
        Properties p = new Properties();
        InputStream is = CoffeeFactory.class.getClassLoader().getResourceAsStream("bean.properties");
        try {
            p.load(is);
            //遍历Properties集合对象
            Set<Object> keys = p.keySet();
            for (Object key : keys) {
                //根据键获取值（全类名）
                String className = p.getProperty((String) key);
                //获取字节码对象
                Class clazz = Class.forName(className);
                Coffee obj = (Coffee) clazz.newInstance();
                map.put((String)key,obj);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
​
    public static Coffee createCoffee(String name) {
​
        return map.get(name);
    }
}

静态成员变量用来存储创建的对象（键存储的是名称，值存储的是对应的对象），而读取配置文件以及创建对象写在静态代码块中，目的就是只需要执行一次。

🧠 理论理解

将产品类的全路径配置到外部文件（如 properties/yaml/json），工厂通过读取配置动态创建实例，彻底解耦代码与产品对象。

🏢 企业实战

• 阿里巴巴中间件（Dubbo RPC框架）：通过SPI机制+配置文件动态加载工厂对象，实现高扩展性和插件式架构。

• Google Chrome插件系统：使用配置文件管理插件元数据和工厂实例化方式。

4.2.6 JDK源码解析-Collection.iterator方法

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("令狐冲");
        list.add("风清扬");
        list.add("任我行");
​
        //获取迭代器对象
        Iterator<String> it = list.iterator();
        //使用迭代器遍历
        while(it.hasNext()) {
            String ele = it.next();
            System.out.println(ele);
        }
    }
}

对上面的代码大家应该很熟，使用迭代器遍历集合，获取集合中的元素。而单列集合获取迭代器的方法就使用到了工厂方法模式。我们看通过类图看看结构：

Collection接口是抽象工厂类，ArrayList是具体的工厂类；Iterator接口是抽象商品类，ArrayList类中的Iter内部类是具体的商品类。在具体的工厂类中iterator()方法创建具体的商品类的对象。

另：

1,DateForamt类中的getInstance()方法使用的是工厂模式；

2,Calendar类中的getInstance()方法使用的是工厂模式；

🧠 理论理解

在Java集合框架中，Collection.iterator()方法就是工厂方法模式的应用。

• Collection是抽象工厂；

• Iterator是抽象产品；

• ArrayList、HashSet等子类各自实现具体的Iterator对象。

🏢 企业实战

• Google Guava库：大量集合类型自定义自己的迭代器（迭代器工厂），遵循工厂方法模式，便于扩展不同遍历方式（正向、逆向、跳跃式遍历）。