设计模式 | 工厂方法模式及典型应用

工厂方法模式

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。

角色

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

示例

抽象产品类 Video

public abstract class Video {
    public abstract void produce();
}

具体产品类 JavaVideo 和 PythonVideo，需要继承抽象产品类 Video

public class JavaVideo extends Video {
    @Override
    public void produce() {
        System.out.println("录制Java课程视频");
    }
}

public class PythonVideo extends Video {
    @Override
    public void produce() {
        System.out.println("录制Python课程视频");
    }
}

抽象工厂类 VideoFactory

public abstract class VideoFactory {
    public abstract Video getVideo();
}

具体工厂类 JavaVideoFactory 和 PythonVideoFactory，需要继承抽象工厂类 VideoFactory

public class JavaVideoFactory extends VideoFactory {
    @Override
    public Video getVideo() {
        return new JavaVideo();
    }
}

public class PythonVideoFactory extends VideoFactory {
    @Override
    public Video getVideo() {
        return new PythonVideo();
    }
}

客户端类，需要什么产品则通过该产品对应的工厂类来获取，不需要知道具体的创建过程

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        VideoFactory pythonVideoFactory = new PythonVideoFactory();
        VideoFactory javaVideoFactory = new JavaVideoFactory();
        Video pythonVideo = pythonVideoFactory.getVideo();
        pythonVideo.produce();
        Video javaVideo = javaVideoFactory.getVideo();
        javaVideo.produce();
    }
}

输出

录制Python课程视频
录制Java课程视频

当需要增加一个产品 FEVideo 时，只需要增加 FEVideo 具体产品类和 FEVideoFactory 具体工厂类即可，不需要修改原有的产品类和工厂类

public class FEVideo extends Video{
    @Override
    public void produce() {
        System.out.println("录制FE课程视频");
    }
}

public class FEVideoFactory extends VideoFactory{
    @Override
    public Video getVideo() {
        return new FEVideo();
    }
}

修改客户端代码

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        VideoFactory feVideoFactory = new FEVideoFactory();
        Video feVideo = feVideoFactory.getVideo();
        feVideo.produce();
    }
}

还可以通过反射机制和配置文件配合，连客户端代码都不需要修改

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        // 从文件或数据库等外部渠道获取 工厂类名
        String factoryName = "com.designpattern.factorymethod.JavaVideoFactory";
        // 通过反射机制获取工厂类
        Class c = Class.forName(factoryName);
        VideoFactory factory = (VideoFactory)c.newInstance();
        // 生产产品
        Video video = factory.getVideo();
        video.produce();
    }
}

最终的类图如下所示

示例.工厂方法结构图

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。

工厂方法模式的主要优点

• 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"。

工厂方法模式的主要缺点

• 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。

工厂方法模式的典型应用及源码分析

Java集合接口 Collection 中的工厂方法模式

Collection 中的 iterator 方法如下：

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    Iterator<E> iterator();
    // ...省略
}

关于 iterator 方法的介绍：
Java的迭代器只在Collection中有，而Map没有迭代器，它有不同的迭代方法；
迭代器的终极目标：就是用统一的方法来迭代不同类型的集合！可能由于不同集合的内部数据结构不尽相同，如果要自己纯手工迭代的话相互之间会有很大的差别，而迭代器的作用就是统一的方法对不同的集合进行迭代，而在迭代器底层隐藏不同集合之间的差异，从而为迭代提供最大的方便
使用用迭代器迭代的步骤： i. 第一步肯定是先获取集合的迭代器：调用集合的iterator方法就能获得，Iterator<E> Collection.iterator(); ii. 使用迭代器的hasNext、next往下迭代
Iterator的常用方法：boolean hasNext()：是否还有下一个元素； Object next()：取出下一个元素并返回； void remove(); ：从容器中删除当前元素，直接会改变容器中的数据

查看该接口的实现类，可以看到是非常的多

Collection接口的实现类(部分)

我们仅看其中一个实现类 java.util.ArrayList，看其对 iterator 方法的实现

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

/**
 * An optimized version of AbstractList.Itr
 */
private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // index of next element to return
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    int expectedModCount = modCount;

    Itr() {}

    public boolean hasNext() {
        return cursor != size;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        // ...省略...
    }

    public void remove() {
        // ...省略...
    }

    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
        // ...省略...
    }

    final void checkForComodification() {
        // ...省略...
    }
}

Itr 类实现了 iterator 接口，iterator 接口正是 Collection 接口中 iterator 方法的返回类型，其代码如下：

public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();

    E next();

    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }

    default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        while (hasNext())
            action.accept(next());
    }
}

由此可见，Collection 接口扮演了抽象工厂角色，工厂方法为 iterator()，Collection 的实现类譬如 ArrayList 扮演了具体工厂角色，而抽象产品为 Iterator 接口，具体产品为 Itr 类

java.net 网络包中的工厂方法模式

URLStreamHandlerFactory 接口为 URL 流协议处理程序定义一个工厂。URL 类使用它可为特定的协议创建 URLStreamHandler

public interface URLStreamHandlerFactory {
    /**
     * Creates a new {@code URLStreamHandler} instance with the specified protocol.
     *
     * @param   protocol   the protocol ("{@code ftp}", "{@code http}", "{@code nntp}", etc.).
     * @return  a {@code URLStreamHandler} for the specific protocol.
     * @see     java.net.URLStreamHandler
     */
    URLStreamHandler createURLStreamHandler(String protocol);
}

该接口的实现类为 sun.misc.Launcher 中的内部类 Factory

private static class Factory implements URLStreamHandlerFactory {
    private static String PREFIX = "sun.net.www.protocol";

    private Factory() {
    }

    public URLStreamHandler createURLStreamHandler(String var1) {
        String var2 = PREFIX + "." + var1 + ".Handler";

        try {
            Class var3 = Class.forName(var2);
            return (URLStreamHandler)var3.newInstance();
        } catch (ReflectiveOperationException var4) {
            throw new InternalError("could not load " + var1 + "system protocol handler", var4);
        }
    }
}

可以看到 createURLStreamHandler 方法的实现为：传入参数，拼接前缀和后缀，之后通过反射机制获取创建一个 URLStreamHandler 对象

URLStreamHandler 是一个抽象类，其中的方法如下图，只有 openConnection 为抽象方法，其他方法均有具体实现

URLStreamHandler抽象类中的方法

关于URLStreamHandler:
抽象类URLStreamHandler是所有流协议处理程序的通用超类。 流协议处理程序知道如何为特定协议类型建立连接，例如http或https

其子类有如下(19个)：

URLStreamHandler的子类

查看其中一个子类譬如 sun.net.www.protocol.http.Handler

public class Handler extends URLStreamHandler {
    protected String proxy;
    protected int proxyPort;

    protected int getDefaultPort() {
        return 80;
    }

    public Handler() {
        this.proxy = null;
        this.proxyPort = -1;
    }

    public Handler(String var1, int var2) {
        this.proxy = var1;
        this.proxyPort = var2;
    }

    protected URLConnection openConnection(URL var1) throws IOException {
        return this.openConnection(var1, (Proxy)null);
    }

    protected URLConnection openConnection(URL var1, Proxy var2) throws IOException {
        return new HttpURLConnection(var1, var2, this);
    }
}

该类实现的 openConnection 方法的返回值类型为 URLConnection，最终返回了一个 HttpURLConnection 对象

我们又继续看 java.net.URLConnection，这也是一个抽象类

image

URLConnection介绍：

• URLConnection是一个功能强大的抽象类，它表示指向URL指定资源的活动连接。
  与URL类相比，它与服务器的交互提供了更多的控制机制。尤其服务器是HTTP服务器，可以使用URLConnection对HTTP首部的访问，可以配置发送给服务器的请求参数。当然也可以通过它读取服务器的数据以及向服务器写入数据.
• URLConnection是Java的协议处理器机制的一部分。协议处理器机制是将处理协议的细节与特定数据类型分开。如果要实现一个特定的协议，则实现URLConnection的子类即可。程序运行时可以将该子类作为一个具体的协议处理器来使用。
• 使用URLConnection类的步骤：1. 构造一个URL对象；2. 调用该URL的openConnection()获取一个URLConnection；3. 配置这个URLConnection；4. 读取首部字段；5. 获得输入流并读取数据；6. 获得输出流并写入数据；7. 关闭连接

其子类有23个

image

我们可以画出他们的关系图如下所示

URLConnection关系图

由此可知：抽象工厂角色为 URLStreamHandlerFactory，工厂方法为 createURLStreamHandler，抽象产品角色为 URLStreamHandler，具体产品角色为 URLStreamHandler 的子类譬如 sun.net.www.protocol.http.Handler、sun.net.www.protocol.ftp.Handler 等

同时，URLStreamHandler 也扮演了抽象工厂角色，工厂方法为 openConnection，URLStreamHandler 的子类譬如 sun.net.www.protocol.http.Handler 也扮演了具体工厂角色，抽象产品为 URLConnection，具体产品角色为 URLConnection 的子类如 sun.net.www.protocol.http.HttpURLConnection 等

Logback 中的工厂方法模式

在上一篇文章《设计模式 | 简单工厂模式及典型应用》 介绍的 Logback 里有简单工厂模式，其实也有工厂方法模式，画图如下

iLoggerFactory类关系

可以看出，抽象工厂角色为 ILoggerFactory 接口，工厂方法为 getLogger，具体工厂角色为 LoggerContext、NOPLoggerFactory、SubstituteLoggerFactory 等，抽象产品角色为 Logger，具体产品角色为 Logger 的实现类如下

`Logger` 的实现类

而简单工厂模式应用在 LoggerContext 的 getLogger 方法中，根据参数返回相应的 Logger 对象

参考：
刘伟：设计模式Java版
慕课网java设计模式精讲 Debug 方式+内存分析

后记

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