本文节选自《设计模式就该这样学》
1 关于产品等级结构和产品族
在讲解抽象工厂之前，我们要了解两个概念：产品等级结构和产品族，如下图所示。
上图中有正方形、圆形和菱形 3 种图形，相同颜色、相同深浅的代表同一个产品族，相同形状的代表同一个产品等级结构。同样可以从生活中来举例，比如，美的电器生产多种家用电器，那么上图中，颜色最深的正方形就代表美的洗衣机，颜色最深的圆形代表美的空调，颜色最深的菱形代表美的热水器，颜色最深的一排都属于美的品牌，都属于美的电器这个产品族。再看最右侧的菱形，颜色最深的被指定了代表美的热水器，那么第二排颜色稍微浅一点的菱形代表海信热水器。同理，同一产品族下还有格力洗衣机、格力空调、格力热水器。
再看下图，最左侧的小房子被认为是具体的工厂，有美的工厂、海信工厂、格力工厂。每个品牌的工厂都生产洗衣机、空调和热水器。
通过上面两张图的对比理解，相信大家对抽象工厂有了非常形象的理解。
2 抽象工厂模式的通用写法
以下是抽象工厂模式的通用写法。
public class Client { public static void main(String[] args) { IFactory factory = new ConcreteFactoryA(); factory.makeProductA(); factory.makeProductB();
factory = new ConcreteFactoryB(); factory.makeProductA(); factory.makeProductB(); }
//抽象工厂类 public interface IFactory { IProductA makeProductA();
IProductB makeProductB(); }
//产品A抽象 public interface IProductA { void doA(); }
//产品B抽象 public interface IProductB { void doB(); }
//产品族A的具体产品A static class ConcreteProductAWithFamilyA implements IProductA{ public void doA() { System.out.println("The ProductA be part of FamilyA"); } }
//产品族A的具体产品B static class ConcreteProductBWithFamilyA implements IProductB{ public void doB() { System.out.println("The ProductB be part of FamilyA"); } }
//产品族B的具体产品A static class ConcreteProductAWithFamilyB implements IProductA{ public void doA() { System.out.println("The ProductA be part of FamilyB"); } }
//产品族B的具体产品B static class ConcreteProductBWithFamilyB implements IProductB{ public void doB() { System.out.println("The ProductB be part of FamilyB"); } }
//具体工厂类A static class ConcreteFactoryA implements IFactory{ public IProductA makeProductA() { return new ConcreteProductAWithFamilyA(); }
public IProductB makeProductB() { return new ConcreteProductBWithFamilyA(); } }
//具体工厂类B static class ConcreteFactoryB implements IFactory{ public IProductA makeProductA() { return new ConcreteProductAWithFamilyB(); }
public IProductB makeProductB() { return new ConcreteProductBWithFamilyB(); } }}
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3 使用抽象工厂模式支持产品扩展
我们来看一个具体的业务场景，并且用代码来实现。还是以网络课程为例，一般课程研发会有一定的标准，每个课程不仅要提供课程的录播视频，还要提供老师的课堂笔记。相当于现在的业务变更为同一个课程不单纯是一个课程信息，要同时包含录播视频、课堂笔记，甚至要提供源码才能构成一个完整的课程。首先在产品等级中增加两个产品：录播视频 IVideo 和课堂笔记 INote。IVideo 接口的代码如下。
public interface IVideo { void record();}
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INote 接口的代码如下。
public interface INote { void edit();}
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然后创建一个抽象工厂 CourseFactory 类。
/** * 抽象工厂是用户的主入口 * 在Spring中应用得最为广泛的一种设计模式 * 易于扩展 * Created by Tom */public abstract class CourseFactory {
public void init(){ System.out.println("初始化基础数据"); }
protected abstract INote createNote();
protected abstract IVideo createVideo();
}
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接下来创建 Java 产品族，Java 视频 JavaVideo 类的代码如下。
public class JavaVideo implements IVideo { public void record() { System.out.println("录制Java视频"); }}
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扩展产品等级 Java 课堂笔记 JavaNote 类。
public class JavaNote implements INote { public void edit() { System.out.println("编写Java笔记"); }}
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创建 Java 产品族的具体工厂 JavaCourseFactory。
public class JavaCourseFactory extends CourseFactory {
public INote createNote() { super.init(); return new JavaNote(); }
public IVideo createVideo() { super.init(); return new JavaVideo(); }}
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随后创建 Python 产品族，Python 视频 PythonVideo 类的代码如下。
public class PythonVideo implements IVideo { public void record() { System.out.println("录制Python视频"); }}
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扩展产品等级 Python 课堂笔记 PythonNote 类。
public class PythonNote implements INote { public void edit() { System.out.println("编写Python笔记"); }}
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创建 Python 产品族的具体工厂 PythonCourseFactory。
public class PythonCourseFactory implements CourseFactory { public INote createNote() { return new PythonNote(); } public IVideo createVideo() { return new PythonVideo(); }}
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最后来看客户端调用代码。
public static void main(String[] args) { JavaCourseFactory factory = new JavaCourseFactory(); factory.createNote().edit(); factory.createVideo().record();}
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上面代码完整地描述了 Java 课程和 Python 课程两个产品族，也描述了视频和笔记两个产品等级。抽象工厂非常完美、清晰地描述了这样一层复杂的关系。但是，不知道大家有没有发现，如果再继续扩展产品等级，将源码 Source 也加入课程中，则代码从抽象工厂到具体工厂要全部调整，这显然不符合开闭原则。
4 使用抽象工厂模式重构数据库连接池
还是演示课堂开始的 JDBC 操作案例，我们每次操作都需要重新创建数据库连接。其实每次创建都非常耗费性能，消耗业务调用时间。我们使用抽象工厂模式，将数据库连接预先创建好，放到容器中缓存着，当业务调用时就只需现取现用。我们来看代码。Pool 抽象类的代码如下。
/** * 自定义连接池getInstance()返回POOL唯一实例，第一次调用时将执行构造函数 * 构造函数Pool()调用驱动装载loadDrivers()函数； * 连接池创建createPool()函数，loadDrivers()装载驱动 * createPool()创建连接池，getConnection()返回一个连接实例， * getConnection(long time)添加时间限制 * freeConnection(Connection con)将con连接实例返回连接池，getnum()返回空闲连接数 * getnumActive()返回当前使用的连接数 * * @author Tom * */
public abstract class Pool { public String propertiesName = "connection-INF.properties";
private static Pool instance = null; //定义唯一实例
/** * 最大连接数 */ protected int maxConnect = 100; //最大连接数
/** * 保持连接数 */ protected int normalConnect = 10; //保持连接数
/** * 驱动字符串 */ protected String driverName = null; //驱动字符串
/** * 驱动类 */ protected Driver driver = null; //驱动变量
/** * 私有构造函数，不允许外界访问 */ protected Pool() { try { init(); loadDrivers(driverName); }catch(Exception e) { e.printStackTrace(); } }
/** * 初始化所有从配置文件中读取的成员变量 */ private void init() throws IOException { InputStream is = Pool.class.getResourceAsStream(propertiesName); Properties p = new Properties(); p.load(is); this.driverName = p.getProperty("driverName"); this.maxConnect = Integer.parseInt(p.getProperty("maxConnect")); this.normalConnect = Integer.parseInt(p.getProperty("normalConnect")); }
/** * 装载和注册所有JDBC驱动程序 * @param dri 接收驱动字符串 */ protected void loadDrivers(String dri) { String driverClassName = dri; try { driver = (Driver) Class.forName(driverClassName).newInstance(); DriverManager.registerDriver(driver); System.out.println("成功注册JDBC驱动程序" + driverClassName); } catch (Exception e) { System.out.println("无法注册JDBC驱动程序:" + driverClassName + ",错误:" + e); } }
/** * 创建连接池 */ public abstract void createPool();
/** * *（单例模式）返回数据库连接池Pool的实例 * * @param driverName 数据库驱动字符串 * @return * @throws IOException * @throws ClassNotFoundException * @throws IllegalAccessException * @throws InstantiationException */ public static synchronized Pool getInstance() throws IOException, InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
if (instance == null) { instance = (Pool) Class.forName("org.e_book.sqlhelp.Pool").newInstance(); } return instance; }
/** * 获得一个可用的连接，如果没有，则创建一个连接，并且小于最大连接限制 * @return */ public abstract Connection getConnection();
/** * 获得一个连接，有时间限制 * @param time 设置该连接的持续时间（以毫秒为单位） * @return */ public abstract Connection getConnection(long time);
/** * 将连接对象返回连接池 * @param con 获得连接对象 */ public abstract void freeConnection(Connection con);
/** * 返回当前空闲的连接数 * @return */ public abstract int getnum();
/** * 返回当前工作的连接数 * @return */ public abstract int getnumActive();
/** * 关闭所有连接，撤销驱动注册（此方法为单例方法） */ protected synchronized void release() { //撤销驱动 try { DriverManager.deregisterDriver(driver); System.out.println("撤销JDBC驱动程序 " + driver.getClass().getName()); } catch (SQLException e) { System.out .println("无法撤销JDBC驱动程序的注册:" + driver.getClass().getName()); } }}
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DBConnectionPool 数据库连接池的代码如下。
/** * 数据库连接池管理类 * @author Tom * */public final class DBConnectionPool extends Pool { private int checkedOut; //正在使用的连接数 /** * 存放产生的连接对象容器 */ private Vector<Connection> freeConnections = new Vector<Connection>(); //存放产生的连接对象容器
private String passWord = null; //密码
private String url = null; //连接字符串
private String userName = null; //用户名
private static int num = 0; //空闲连接数
private static int numActive = 0; //当前可用的连接数
private static DBConnectionPool pool = null; //连接池实例变量
/** * 产生数据连接池 * @return */ public static synchronized DBConnectionPool getInstance() { if(pool == null) { pool = new DBConnectionPool(); } return pool; }
/** * 获得一个数据库连接池的实例 */ private DBConnectionPool() { try { init(); for (int i = 0; i < normalConnect; i++) { //初始normalConn个连接 Connection c = newConnection(); if (c != null) { freeConnections.addElement(c); //往容器中添加一个连接对象 num++; //记录总连接数 } } }catch(Exception e) { e.printStackTrace(); } } /** * 初始化 * @throws IOException */ private void init() throws IOException { InputStream is = DBConnectionPool.class.getResourceAsStream(propertiesName); Properties p = new Properties(); p.load(is); this.userName = p.getProperty("userName"); this.passWord = p.getProperty("passWord"); this.driverName = p.getProperty("driverName"); this.url = p.getProperty("url"); this.driverName = p.getProperty("driverName"); this.maxConnect = Integer.parseInt(p.getProperty("maxConnect")); this.normalConnect = Integer.parseInt(p.getProperty("normalConnect")); } /** * 如果不再使用某个连接对象，则可调此方法将该对象释放到连接池 * @param con */ public synchronized void freeConnection(Connection con) { freeConnections.addElement(con); num++; checkedOut--; numActive--; notifyAll(); //解锁 }
/** * 创建一个新连接 * @return */ private Connection newConnection() { Connection con = null; try { if (userName == null) { //用户、密码都为空 con = DriverManager.getConnection(url); } else { con = DriverManager.getConnection(url, userName, passWord); } System.out.println("连接池创建一个新的连接"); } catch (SQLException e) { System.out.println("无法创建这个URL的连接" + url); return null; } return con; }
/** * 返回当前空闲的连接数 * @return */ public int getnum() { return num; }
/** * 返回当前可用的连接数 * @return */ public int getnumActive() { return numActive; }
/** * （单例模式）获取一个可用连接 * @return */ public synchronized Connection getConnection() { Connection con = null; if (freeConnections.size() > 0) { //还有空闲的连接 num--; con = (Connection) freeConnections.firstElement(); freeConnections.removeElementAt(0); try { if (con.isClosed()) { System.out.println("从连接池删除一个无效连接"); con = getConnection(); } } catch (SQLException e) { System.out.println("从连接池删除一个无效连接"); con = getConnection(); } //没有空闲连接且当前连接小于最大允许值，若最大值为0，则不限制 } else if (maxConnect == 0 || checkedOut < maxConnect) { con = newConnection(); } if (con != null) { //当前连接数加1 checkedOut++; } numActive++; return con; }
/** * 获取一个连接，并加上等待时间限制，时间为毫秒 * @param timeout 接受等待时间（以毫秒为单位） * @return */ public synchronized Connection getConnection(long timeout) { long startTime = new Date().getTime(); Connection con; while ((con = getConnection()) == null) { try { wait(timeout); //线程等待 } catch (InterruptedException e) { } if ((new Date().getTime() - startTime) >= timeout) { return null; //如果超时，则返回 } } return con; }
/** * 关闭所有连接 */ public synchronized void release() { try { //将当前连接赋值到枚举中 Enumeration allConnections = freeConnections.elements(); //使用循环关闭连接池中的所用连接 while (allConnections.hasMoreElements()) { //如果此枚举对象至少还有一个可提供的元素，则返回此枚举的下一个元素 Connection con = (Connection) allConnections.nextElement(); try { con.close(); num--; } catch (SQLException e) { System.out.println("无法关闭连接池中的连接"); } } freeConnections.removeAllElements(); numActive = 0; } finally { super.release(); } }
/** * 建立连接池 */ public void createPool() {
pool = new DBConnectionPool(); if (pool != null) { System.out.println("创建连接池成功"); } else { System.out.println("创建连接池失败"); } }}
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5 抽象工厂模式在 Spring 源码中的应用
在 Spring 中，所有工厂都是 BeanFactory 的子类。通过对 BeanFactory 的实现，我们可以从 Spring 的容器访问 Bean。根据不同的策略调用 getBean()方法，从而获得具体对象。
public interface BeanFactory { String FACTORY_BEAN_PREFIX = "&";
Object getBean(String name) throws BeansException;
<T> T getBean(String name, @Nullable Class<T> requiredType) throws BeansException;
Object getBean(String name, Object... args) throws BeansException;
<T> T getBean(Class<T> requiredType) throws BeansException;
<T> T getBean(Class<T> requiredType, Object... args) throws BeansException;
boolean containsBean(String name);
boolean isSingleton(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
boolean isPrototype(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException;
boolean isTypeMatch(String name, ResolvableType typeToMatch) throws NoSuchBeanDefinitionException;
boolean isTypeMatch(String name, @Nullable Class<?> typeToMatch) throws NoSuchBean DefinitionException;
@Nullable Class<?> getType(String name) throws NoSuchBeanDefinitionException; String[] getAliases(String name);
}
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BeanFactory 的子类主要有 ClassPathXmlApplicationContext、XmlWebApplicationContext、StaticWebApplicationContext、StaticPortletApplicationContext、GenericApplicationContext 和 Static ApplicationContext。在 Spring 中，DefaultListableBeanFactory 实现了所有工厂的公共逻辑。
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