一文搞懂设计模式—工厂方法模式

本文已收录至 Github，推荐阅读 👉 Java随想录

微信公众号：Java随想录

在面向对象设计中，经常需要创建对象实例。传统的方式是在代码中直接使用 new 关键字来创建对象，但这种方式可能会导致高耦合和难以扩展。

工厂方法模式属于创建型模式，通过定义一个用于创建对象的接口，将具体的实例化延迟到子类中，提供了一种灵活、可扩展的对象创建方式，使得系统更加符合开闭原则。

使用场景

工厂方法模式适用于以下场景：

• 对象的创建过程比较复杂，包含一系列步骤或依赖关系，需要隐藏创建细节，只关注对象的使用。

• 需要在运行时动态决定创建哪个具体对象。

• 希望通过扩展工厂类来添加新的产品，而不是修改已有的代码。

一个常见的工厂方法模式在 Spring 中的应用例子是通过 FactoryBean 接口来创建自定义的工厂 Bean。

假设我们有一个名为 UserService 的服务类，它依赖于另一个名为 UserRepository 的数据访问对象。我们可以使用工厂方法模式来创建 UserService 实例，并将其作为一个 Bean 注册到 Spring 容器中。

首先，我们创建一个实现了 FactoryBean<UserService> 接口的工厂类 UserServiceFactory：

public class UserServiceFactory implements FactoryBean<UserService> {    private UserRepository userRepository;
    public void setUserRepository(UserRepository userRepository) {        this.userRepository = userRepository;    }
    @Override    public UserService getObject() throws Exception {        UserService userService = new UserService();        userService.setUserRepository(userRepository);        return userService;    }
    @Override    public Class<?> getObjectType() {        return UserService.class;    }
    @Override    public boolean isSingleton() {        return true;    }}

在上述代码中，UserServiceFactory 实现了 FactoryBean<UserService> 接口，并重写了相关方法。在 getObject() 方法中，我们创建了一个 UserService实例，并设置了其依赖的 UserRepository。getObjectType() 方法返回了工厂创建的对象类型，isSingleton() 方法表示该工厂创建的对象是否为单例。

接下来，我们需要将 UserServiceFactory 和 UserRepository 注册到 Spring 容器中。可以通过 XML 配置文件进行配置：

<bean id="userRepository" class="com.example.UserRepository"/>
<bean id="userServiceFactory" class="com.example.UserServiceFactory">    <property name="userRepository" ref="userRepository"/></bean>
<bean id="userService" factory-bean="userServiceFactory" factory-method="getObject"/>

在上述配置中，我们首先创建了一个 UserRepository 的 Bean，并将其注入到 UserServiceFactory 工厂类中。然后，通过 factory-bean 属性指定使用userServiceFactory 工厂来创建 userService 的实例。

这样，当 Spring 容器初始化时，会自动调用 UserServiceFactory 的 getObject() 方法来创建 UserService 实例，并将其作为一个 Bean 注册到容器中。可以通过 @Autowired 或其他方式来注入 UserService 对象，并使用它的服务。

通过这种方式，我们成功地应用了工厂方法模式，在 Spring 中管理和创建了 UserService 实例，并解耦了对象的创建和依赖注入过程。

具体实现

工厂方法模式涉及以下几个角色：

• 抽象产品（Abstract Product）：定义了产品的抽象接口或抽象类，具体产品需要实现这个接口或继承这个抽象类。

• 具体产品（Concrete Product）：实现了抽象产品定义的接口或继承抽象产品的抽象类，是工厂方法模式所创建的对象。

• 抽象工厂（Abstract Factory）：定义了一个创建产品对象的抽象工厂接口，其中包含了创建产品的抽象方法。

• 具体工厂（Concrete Factory）：实现了抽象工厂接口，负责创建具体的产品对象。具体工厂类通常含有与业务相关的逻辑，并在工厂方法中实例化具体产品对象。

在工厂方法模式中，抽象工厂和抽象产品是核心，而具体工厂和具体产品则根据实际需求进行扩展和实现。

通过这些角色的协作，工厂方法模式实现了将产品的创建过程封装起来，使得客户端与具体产品解耦，同时也提供了灵活性和可扩展性。

抽象产品类和具体产品类

首先定义一个抽象产品类 Product：

public abstract class Product {    public abstract void use();}

然后创建具体产品类，如 ConcreteProductA 和 ConcreteProductB，它们分别继承自 Product 并实现了其中的抽象方法。

public class ConcreteProductA  extends Product {        @Override    public void use(){       System.out.println("use ConcreteProductA");        }}

public class ConcreteProductB  extends Product {    @Override    public void use(){        System.out.println("use ConcreteProductB");         }}

抽象工厂类和具体工厂类

接下来定义一个抽象工厂类 Factory，其中包含一个抽象的工厂方法 createProduct()，用于创建具体的产品对象：

public abstract class Factory {    public abstract Product createProduct();}

对于每个具体产品，创建相应的具体工厂类：

public class ConcreteFactoryA extends Factory {        @Override    public Product createProduct() {        return new ConcreteProductA();    }}

public class ConcreteFactoryB extends Factory {        @Override    public Product createProduct() {        return new ConcreteProductB();    }}

客户端代码

在客户端代码中，我们可以根据需要选择不同的具体工厂类来创建产品对象。

public class Client {    public static void main(String[] args) {        Factory factory = new ConcreteFactoryA();        Product product = factory.createProduct();        product.use();    }}

通过工厂方法模式，我们将对象的创建过程分散到不同的具体工厂类中，每个具体工厂类只负责创建对应的产品对象。这样可以降低代码的耦合度，同时也方便添加新的产品和工厂。

优点

• 符合开闭原则：工厂方法模式将产品的创建过程封装在具体工厂类中，新增产品时只需添加对应的工厂类，而无需修改已有的代码。

• 客户端与具体产品解耦：客户端代码只和抽象工厂类以及抽象产品类交互，无需关心具体的实现细节，从而实现了高层模块和底层模块的解耦。

• 扩展性好：通过添加新的具体工厂类和具体产品类，可以灵活地扩展系统，符合开放封闭原则。

• 容易进行单元测试：由于工厂方法模式将对象的创建过程封装到具体工厂类中，我们可以轻松地替换具体工厂类来进行单元测试，提高代码的可测试性。

缺点

• 类的数量增加：引入工厂方法模式会增加类的数量，增加了系统的复杂度。

• 增加了系统的抽象性和理解难度：相比于简单工厂模式，工厂方法模式引入了更多的抽象类和接口，对于初学者来说可能更难理解。

注意：工厂方法模式适合复杂对象，而简单对象，特别是只需要通过 new 就可以完成创建的对象，无需使用工厂模式。如果使用工厂模式，就需要引入一个工厂类，会增加系统的复杂度。

简单工厂模式

当只有少量具体产品类时，并且对象的创建逻辑相对简单，没有必要为每个具体产品类创建一个对应的工厂类，此时使用简单工厂模式会更加简洁和直观。

简单工厂模式（Simple Factory Pattern）是工厂方法模式的弱化。

简单工厂模式由三个主要角色组成：

• 工厂类（Factory Class）：负责创建对象的核心类，它通常包含一个静态方法或者非静态方法，根据客户端传入的参数来创建相应的对象实例。

• 抽象产品类（Abstract Product Class）：定义了具体产品类的共同接口或抽象类，描述了产品的通用行为。

• 具体产品类（Concrete Product Class）：实现了抽象产品类所定义的接口或抽象类，具体产品类是工厂类所创建的目标对象。

下面是一个简单的示例代码，演示了简单工厂模式的实现：

// 抽象产品类public interface Animal {    void speak();}
// 具体产品类1public class Cat implements Animal {    @Override    public void speak() {        System.out.println("Meow!");    }}
// 具体产品类2public class Dog implements Animal {    @Override    public void speak() {        System.out.println("Woof!");    }}
// 工厂类public class AnimalFactory {    public static Animal createAnimal(String type) {        if (type.equalsIgnoreCase("cat")) {            return new Cat();        } else if (type.equalsIgnoreCase("dog")) {            return new Dog();        }        throw new IllegalArgumentException("Invalid animal type: " + type);    }}

在上述代码中，我们定义了一个抽象产品类 Animal，并有两个具体产品类 Cat 和 Dog，它们都实现了 Animal 接口。工厂类 AnimalFactory 负责根据客户端传入的参数创建相应的具体产品对象。

使用简单工厂模式，客户端可以通过调用工厂类的静态方法 createAnimal() 来获取所需的具体产品对象。例如：

Animal cat = AnimalFactory.createAnimal("cat");cat.speak();  // 输出：Meow!
Animal dog = AnimalFactory.createAnimal("dog");dog.speak();  // 输出：Woof!

简单工厂模式因为工厂类定义了一个静态方法，因此也叫做静态工厂模式。其缺点是工厂类的扩展比较困难，不符合开闭原则，并且随着产品类型增多，简单工厂模式工厂类的代码可能会变得复杂，因此不适用于大规模或复杂的应用程序，但它仍然是一个非常实用的设计模式。

延迟初始化

延迟初始化：一个对象被消费完毕后，并不立刻释放，工厂类保持其初始状态，等待再次被使用。

延迟加载的工厂类，参考代码如下：

public class ProductFactory {    private static final Map<String, Product> prMap = new HashMap();
    public static synchronized Product createProduct(String type) throws Exception {        Product product = null;    //如果Map中已经有这个对象        if (prMap.containsKey(type)) {            product = prMap.get(type);        } else {            if (type.equals("Product1")) {                product = new ConcreteProduct1();            } else {                product = new ConcreteProduct2();            }    //同时把对象放到缓存容器中            prMap.put(type, product);        }        return product;    }}

代码算是比较简单，通过定义一个 Map 容器，容纳所有产生的对象，如果在 Map 容器中已经有的对象，则直接取出返回；如果没有，则根据需要的类型产生一个对象并放入到 Map 容器中，以方便下次调用。

这样的好处是可以限制某一个产品类的最大实例化数量，通过判断 Map 中已有的对象数量来实现。

延迟加载在对象初始化比较复杂的情况下，可以降低对象的产生和销毁带来的复杂性。这是非常有意义的，例如 JDBC 连接数据库，都会要求设置一个 MaxConnections 最大连接数量，该数量就是内存中最大实例化的数量。

总结

工厂方法模式使用的频率非常高，工厂方法模式通过定义抽象工厂类和抽象产品类，将对象的创建委托给子类来实现。它提供了一种灵活、可扩展的对象创建方式，符合开闭原则，并且降低了代码的耦合度。

通过合理地使用工厂方法模式，我们可以提高代码的灵活性、可扩展性和可维护性，从而构建更优秀的软件系统。