JAVA 设计模式（三）—— 设计模式之工厂模式
2024-04-24 10:21:30
文章目录
- 一、工厂模式概述
- 1、工厂模式简介
- 2、工厂模式分类
- 二、简单工厂模式
- 1、简单工厂模式示例
- 2、简单工厂模式分析
- 三、工厂方法模式
- 1、工厂方法模式示例
- 2、工厂方法模式分析
- 四、抽象工厂模式
- 1、抽象工厂模式示例
- 2、抽象工厂模式分析
一、工厂模式概述
1、工厂模式简介
（1）简介
- 简单工厂模式是属于创建型模式，是工厂模式的一种。简单工厂模式是由一个工厂对象决定创建出哪一种产 品类的实例。简单工厂模式是工厂模式家族中最简单实用的模式；
- 简单工厂模式定义了一个创建对象的类，由这个类来封装实例化对象的行为(代码)；
- 在软件开发中，当我们会用到大量的创建某种、某类或者某批对象时，就会使用到工厂模式。
（2）优缺点
优点：
- 一个调用者想创建一个对象，只要知道其名称就可以了。
- 扩展性高，如果想增加一个产品，只要扩展一个工厂类就可以。
- 屏蔽产品的具体实现，调用者只关心产品的接口。
缺点：
- 每次增加一个产品时，都需要增加一个具体类和对象实现工厂，使得系统中类的个数成倍增加，在一定程度上增加了系统的复杂度，同时也增加了系统具体类的依赖。这并不是什么好事。
（3）使用场景：
- 日志记录器：记录可能记录到本地硬盘、系统事件、远程服务器等，用户可以选择记录日志到什么地方。
- 数据库访问，当用户不知道最后系统采用哪一类数据库，以及数据库可能有变化时。
- 设计一个连接服务器的框架，需要三个协议，“POP3”、“IMAP”、“HTTP”，可以把这三个作为产品类，共同实现一个接口。
（4）注意事项
- 作为一种创建类模式，在任何需要生成复杂对象的地方，都可以使用工厂方法模式。有一点需要注意的地方就是复杂对象适合使用工厂模式，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。
2、工厂模式分类
工厂模式根据抽象程度的不同分为三种：简单工厂模式（也叫静态工厂模式）、工厂方法模式、抽象工厂模式。
二、简单工厂模式
1、简单工厂模式示例
（1）创建一个接口Shape
public interface Shape {void draw();
}
（2）创建实现接口的实体类。
Rectangle 实体类
public class Rectangle implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("这是Rectangle");}
}
Square 实体类
public class Square implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("这是Square");}
}
Circle 实体类
public class Circle implements Shape {@Overridepublic void draw() {System.out.println("这是Circle");}
}
（3）创建一个工厂，生成基于给定信息的实体类的对象。
public class ShapeFactory {//使用 getShape 方法获取形状类型的对象public Shape getShape(String shapeType){if(shapeType == null){return null;}if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){return new Circle();} else if(shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")){return new Rectangle();} else if(shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")){return new Square();}return null;}
}
（4）使用该工厂，通过传递类型信息来获取实体类的对象。
public class FactoryPatternDemo {public static void main(String[] args) {ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();//获取 Circle 的对象，并调用它的 draw 方法Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");shape1.draw();//获取 Rectangle 的对象，并调用它的 draw 方法Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");shape2.draw();//获取 Square 的对象，并调用它的 draw 方法Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");shape3.draw();}
}
（5）输出结果
这是Circle
这是Rectangle
这是Square
2、简单工厂模式分析
（1）优点和缺点
优点
- 工厂类含有必要的判断逻辑，可以决定在什么时候创建哪一个产品类的实例，客户端可以免除直接创建产品对象的责任，而仅仅“消费”产品；简单工厂模式通过这种做法实现了对责任的分割，它提供了专门的工厂类用于创建对象。
- 客户端无须知道所创建的具体产品类的类名，只需要知道具体产品类所对应的参数即可，对于一些复杂的类名，通过简单工厂模式可以减少使用者的记忆量。
- 通过引入配置文件，可以在不修改任何客户端代码的情况下更换和增加新的具体产品类，在一定程度上提高了系统的灵活性。
缺点
- 由于工厂类集中了所有产品创建逻辑，一旦不能正常工作，整个系统都要受到影响。
- 使用简单工厂模式将会增加系统中类的个数，在一定程序上增加了系统的复杂度和理解难度。
- 系统扩展困难，一旦添加新产品就不得不修改工厂逻辑，同样破坏了“开闭原则”；在产品类型较多时，有可能造成工厂逻辑过于复杂，不利于系统的扩展和维护。
- 简单工厂模式由于使用了静态工厂方法，造成工厂角色无法形成基于继承的等级结构。
（2）适用环境
- 工厂类负责创建的对象比较少：由于创建的对象较少，不会造成工厂方法中的业务逻辑太过复杂。
- 客户端只知道传入工厂类的参数，对于如何创建对象不关心：客户端既不需要关心创建细节，甚至连类名都不需要记住，只需要知道类型所对应的参数。
（3）JDK中使用到的简单工厂模式
- JDK类库中广泛使用了简单工厂模式，如工具类java.text.DateFormat，它用于格式化一个本地日期或者时间。
public final static DateFormat getDateInstance();
public final static DateFormat getDateInstance(int style);
public final static DateFormat getDateInstance(int style,Locale locale);
- 获取不同加密算法的密钥生成器。
KeyGenerator keyGen=KeyGenerator.getInstance("DESede");
三、工厂方法模式
1、工厂方法模式示例
（1）创建一个抽象类，并设置一个抽象方法
public abstract class Computer {public abstract Computer show();
}
（2）创建实体类继承抽象的Computer类
Lenvon 实体类
public class Lenvon extends Computer{@Overridepublic Computer show() {System.out.println("这是联想电脑");return null;}
}
Dell 实体类
public class Dell extends Computer {@Overridepublic Computer show() {System.out.println("这是戴尔电脑");return null;}
}
（3）创建一个抽象工厂类，它是具体工厂的公共接口
public abstract class Factory{public abstract Computer getComputer();
}
（4）创建具体工厂类（继承抽象工厂类），定义创建对应具体产品实例的方法；
Lenvon工厂
public class LenvonFactory extends Factory {@Overridepublic Computer getComputer() {return new Lenvon();}
}
Dell工厂
public class DellFactory extends Factory {@Overridepublic Computer getComputer() {return new Dell();}
}
（5）main方法类调用
public class Gcffms {public static void main(String[] args) {/*调用Lenvon电脑*/LenvonFactory lenvonFactory = new LenvonFactory();lenvonFactory.getComputer().show();/*调用Dell电脑*/DellFactory dellFactory = new DellFactory();dellFactory.getComputer().show();}
}
（6）输出结果
这是联想电脑
这是戴尔电脑
2、工厂方法模式分析
（1）优缺点
优点
- 在工厂方法模式中，工厂方法用来创建客户端所需要的产品，同时还向客户端隐藏了哪种具体产品类将被实例化这一细节，客户端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。它能够使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，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。
（2）适用环境
- 一个类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；客户端需要知道创建具体产品的工厂类。
- 一个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。
- 将创建对象的任务委托给多个工厂子类中的某一个，客户端在使用时可以无须关心是哪一个工厂子类创建产品子类，需要时再动态指定，可将具体工厂类的类名存储在配置文件或数据库中。
（3）模式扩展
- 使用多个工厂方法：在抽象工厂角色中可以定义多个工厂方法，从而使具体工厂角色实现这些不同的工厂方法，这些方法可以包含不同的业务逻辑，以满足对不同的产品对象的需求。
- 产品对象的重复使用：工厂对象将已经创建过的产品保存到一个集合（如数组、List等）中，然后根据客户对产品的请求，对集合进行查询。如果有满足要求的产品对象，就直接将该产品返回客户端；如果集合中没有这样的产品对象，那么就创建一个新的满足要求的产品对象，然后将这个对象在增加到集合中，再返回给客户端。
- 多态性的丧失和模式的退化：如果工厂仅仅返回一个具体产品对象，便违背了工厂方法的用意，发生退化，此时就不再是工厂方法模式了。一般来说，工厂对象应当有一个抽象的父类型，如果工厂等级结构中只有一个具体工厂类的话，抽象工厂就可以省略，也将发生了退化。当只有一个具体工厂，在具体工厂中可以创建所有的产品对象，并且工厂方法设计为静态方法时，工厂方法模式就退化成简单工厂模式。
（4）JDK中使用到的简单工厂模式
- java.util.Calendar，ResourceBundle and NumberFormat getInstance()
- valueOf() 在包装类中，如Boolean, Integer 也使用了工厂方法模式
四、抽象工厂模式
1、抽象工厂模式示例
设计一个案例，有Lenvon和Dell两个工厂，分别生产Lenvon电脑和Lenvon手机、Dell电脑和Dell手机
（1）创建一个电脑接口Computer接口和一个手机接口Phone接口
Computer接口
public interface Computer {public void makeComputer();
}
Phone接口
public interface Phone {public void makePhone();
}
（2）创建具体的实体类分别实现Computer接口和Phone接口
LenvonComputer 实体类
public class LenvonComputer implements Computer {@Overridepublic void makeComputer() {System.out.println("Lenvon生产一台联想电脑");}
}
DellComputer 实体类
public class DellComputer implements Computer {@Overridepublic void makeComputer() {System.out.println("Dell生产一台戴尔电脑");}
}
LenvonPhone实体类
public class LenvonPhone implements Phone {@Overridepublic void makePhone() {System.out.println("Lenvon生产一部联想手机");}
}
DellPhone 实体类
public class DellPhone implements Phone {@Overridepublic void makePhone() {System.out.println("Dell生产一部戴尔手机");}
}
（3）创建一个工厂接口，并创建实体工厂实现工厂接口
工厂接口Factory
public interface Factory {public Computer getComputer();public Phone getPhone();
}
实体工厂LenvonFactory
public class LenvonFactory implements Factory {@Overridepublic Computer getComputer() {return new LenvonComputer();}@Overridepublic Phone getPhone() {return new LenvonPhone();}
}
实体工厂DellFactory
public class DellFactory implements Factory {@Overridepublic Computer getComputer() {return new DellComputer();}@Overridepublic Phone getPhone() {return new DellPhone();}
}
（4）main方法类测试，由不同的工厂生产不同的产品
public class Cxgcms {public static void main(String[] args) {LenvonFactory lenvonFactory = new LenvonFactory();lenvonFactory.getComputer().makeComputer();lenvonFactory.getPhone().makePhone();DellFactory dellFactory = new DellFactory();dellFactory.getComputer().makeComputer();dellFactory.getPhone().makePhone();}
}
（5）输出结果
Lenvon生产一台联想电脑
Lenvon生产一部联想手机
Dell生产一台戴尔电脑
Dell生产一部戴尔手机
2、抽象工厂模式分析
（1）优点和缺点
优点
- 抽象工厂模式隔离了具体类的生成，使得客户并不需要知道什么被创建。由于这种隔离，更换一个具体工厂就变得相对容易。所有的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的那些公共接口，因此只需改变具体工厂的实例，就可以在某种程度上改变整个软件系统的行为。另外，应用抽象工厂模式可以实现高内聚低耦合的设计目的，因此抽象工厂模式得到了广泛的应用。
- 当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时，它能够保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。这对一些需要根据当前环境来决定其行为的软件系统来说，是一种非常实用的设计模式。
增加新的具体工厂和产品族很方便，无须修改已有系统，符合“开闭原则”。
缺点
- 在添加新的产品对象时，难以扩展抽象工厂来生产新种类的产品，这是因为在抽象工厂角色中规定了所有可能被创建的产品集合，要支持新种类的产品就意味着要对该接口进行扩展，而这将涉及到对抽象工厂角色及其所有子类的修改，显然会带来较大的不便。
- 开闭原则的倾斜性
(1) 增加产品族：对于增加新的产品族，抽象工厂模式很好地支持了“开闭原则”，只需要增加具体产品并对应增加一个新的具体工厂，对已有代码无须做任何修改。
(2) 增加新的产品等级结构：对于增加新的产品等级结构，需要修改所有的工厂角色，包括抽象工厂类，在所有的工厂类中都需要增加生产新产品的方法，违背了“开闭原则”。 - 正因为抽象工厂模式存在“开闭原则”的倾斜性，它以一种倾斜的方式来满足“开闭原则”，为增加新产品族提供方便，但不能为增加新产品结构提供这样的方便，因此要求设计人员在设计之初就能够全面考虑，不会在设计完成之后向系统中增加新的产品等级结构，也不会删除已有的产品等级结构，否则将会导致系统出现较大的修改，为后续维护工作带来诸多麻烦。
（2）适用环境
- 一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节，这对于所有类型的工厂模式都是很重要的，用户无须关心对象的创建过程，将对象的创建和使用解耦。
- 系统中有多于一个的产品族，而每次只使用其中某一产品族。可以通过配置文件等方式来使得用户可以动态改变产品族，也可以很方便地增加新的产品族。
- 属于同一个产品族的产品将在一起使用，这一约束必须在系统的设计中体现出来。同一个产品族中的产品可以是没有任何关系的对象，但是它们都具有一些共同的约束，如同一制作水果蛋糕用的水果–草莓和芒果，草莓和芒果之间没有直接关系，但它们都是属于水果。
- 产品等级结构稳定，设计完成之后，不会向系统中增加新的产品等级结构或者删除已有的产品等级结构。
（3）模式扩展
“开闭原则”要求系统对扩展开放，对修改封闭，通过扩展达到增强其功能的目的。对于涉及到多个产品族与多个产品等级结构的系统，其功能增强包括两方面：
- 增加产品族：对于增加新的产品族，工厂方法模式很好的支持了“开闭原则”，对于新增加的产品族，只需要对应增加一个新的具体工厂即可，对已有代码无须做任何修改。
- 增加新的产品等级结构：对于增加新的产品等级结构，需要修改所有的工厂角色，包括抽象工厂类，在所有的工厂类中都需要增加生产新产品的方法，不能很好地支持“开闭原则”。
工厂模式的退化
- 当抽象工厂模式中每一个具体工厂类只创建一个产品对象，也就是只存在一个产品等级结构时，抽象工厂模式退化成工厂方法模式；
- 当工厂方法模式中抽象工厂与具体工厂合并，提供一个统一的工厂来创建产品对象，并将创建对象的工厂方法设计为静态方法时，工厂方法模式退化成简单工厂模式。
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