【设计模式】工厂方法模式

工厂方法模式

介绍

简单工厂模式虽然简单，并且实现了创建和使用分离的功能，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”，并且工厂类可能过于庞大，出现大量if...else...的语句，导致维护和测试难度增大，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，本文将介绍第二种工厂模式——工厂方法模式。

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

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UML类图

角色介绍

• 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。

与简单工厂模式的区别

最重要的区别就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。
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。

interface Factory {
    public Product factoryMethod();
}

class ConcreteFactory implements Factory {
    public Product factoryMethod() {
        return new ConcreteProduct();
    }
}

// 客户端创建产品
Factory factory;
factory = new ConcreteFactory(); //可通过配置文件实现
Product product;
product = factory.factoryMethod();

demo

使用工厂模式设计日志记录器。

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。

//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;  
    }     
}  

客户端使用代码：

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();  
    }  
}  

优化代码

动态加载工厂类

为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性，不再使用new关键字来创建工厂对象，而是将具体工厂类名存储在配置文件中，通过读取配置文件获取类名字符串，再反射出具体的类。

重载工厂方法

工厂方法可能会存在多种途径来创建产品，比如日志记录系统，可以从文件中读取，也可以从数据库读取。
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。

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);  
}  

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。

//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();    
} 
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  
    }  
}  

Cocoa框架中的使用

NSNumber

尽管NSNumber可以使用常见的alloc init方式创建NSNumber，但这样创建出来的对象仍然是nil，只能使用预先定义的工厂方法来创建有意义的实例。例如

[NSNumber numberWithBool:YES]

此消息会得到一个NSNumber的子类NSCFBoolean的一个实例。

NSNumber就是工厂模式的一个变体，NSNumber本身是一个抽象父类，直接由抽象类生成具体子类

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(编译时无法准确预期要创建的对象的类)。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（类想让其子类决定在运行时创建什么）。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。