Java设计模式-创建型模式-工厂方法模式

此系列文章为清华大学出版社出版刘伟编著《Java设计模式》的学习笔记。

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1 概述

工厂方法模式简称为工厂模式（Factory Pattern），又可称为虚拟构造器模式（Virtual Constructor Pattern）或多态工厂模式（Polymorphic Factory Pattern）。工厂方法模式是一种创建型模式，在工厂方法模式中，工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口，而工厂子类负责生成具体的产品对象，这样做的目的时将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成，即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体的产品类。

工厂方法模式：定义一个用于创建对象的接口，但是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。

2 结构与实现

2.1 工厂方法模式结构

抽象工厂模式包含4个角色：

AbstractProduct(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，是具体产品对象的公共父类。可以是抽象类或者接口。
ConcreteProduct(具体产品)：它实现了抽象产品所定义的接口，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。
AbstractFactory(抽象工厂)：在抽象工厂中声明了抽象工厂方法，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，实现了在抽象工厂中声明的工厂方法，并可由客户端调用，返回一个具体产品类的实例。

2.2 工厂方法模式举例

一、背景介绍

某系统运行日志记录器（Logger）可以通过多种途径保存系统的运行日志，例如通过文件记录或数据库记录，用户可以通过修改配置文件灵活地更换日志记录方式。在设计各类日志记录器时，开发人员发现需要对日志记录器时，开发人员发现需要对日志记录器进行一些初始化工作，初始化参数地设置过程较为复杂，而且某些参数地设置有严格地先后次序，否则可能会发生记录失败。

为了更好地封装记录器的初始化过程并保证多种记录器切换的灵活性，现使用工厂方法模式设计该系统（注：在Java中常用的日志记录工具有SLF4J、Log4j、GCLogViewer、Logstash等。）

二、项目结构

项目结构.png

三、抽象产品

public interface Logger {
    public void writeLog();
}

四、具体产品

具体日志记录器：数据库日志记录器

public class DatabaseLogger implements Logger {
    @Override
    public void writeLog() {
        System.out.println("数据库日志记录");
    }
}

具体日志记录器：文件日志记录器

public class FileLogger implements Logger {
    @Override
    public void writeLog() {
        System.out.println("文件日志记录");
    }
}

五、抽象工厂

public interface LoggerFactory {
    public Logger createLogger();
}

六、具体工厂

具体工厂：数据库日志记录器工厂

public class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {
    @Override
    public Logger createLogger() {
        //连接数据库，创建数据库日志记录对象等操作，代码省略
        Logger logger = new DatabaseLogger();
        //写入日志等操作，代码省略
        return logger;
    }
}

具体工厂：文件日志记录器工厂

public class FileLoggerFactory implements LoggerFactory {
    @Override
    public Logger createLogger() {
        //创建文件日志记录器对象，代码省略
        Logger logger = new FileLogger();
        //创建文件，代码省略
        return logger;
    }
}

七、测试Client

import CreationalPattern.FactoryMethodPattern.AbstractFactory.LoggerFactory;
import CreationalPattern.FactoryMethodPattern.AbstractProduct.Logger;
import CreationalPattern.FactoryMethodPattern.ConcreteFactory.DatabaseLoggerFactory;
import CreationalPattern.FactoryMethodPattern.ConcreteFactory.FileLoggerFactory;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        LoggerFactory factory;
        Logger logger;
        /**
         * note:可以引入文件读取和反射加载机制，提供一个专门的配置文件。
         * note:只需要修改具体的XxxLoggerFactory是哪一个即可实现生产两种不同的Logger
         */
        factory = new FileLoggerFactory();//文件日志记录
//        factory = new DatabaseLoggerFactory();//数据库日志记录
        logger = factory.createLogger();
        logger.writeLog();
    }
}

八、打印结果

我们只需要改变实现抽象工厂的具体工厂类型，即可创建不同的日志记录器：

创建数据库日志记录器.png

创建文件日志记录器.png

3 总结

工厂方法模式是简单工厂模式的延申，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。

3.1 工厂方法模式优点

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，无需关心创建细节，甚至无需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。它能够让工厂自主确定创建何种产品对象，而如何创建这个对象的细节完全封装在具体工厂内部。工厂方法模式之所以被称为多态工厂模式，正式因为所有的具体的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需修改抽象工厂和抽象产品提供的接口，无需修改客户端，也无需修改其他的具体工厂和具体产品，而只需添加一个具体工厂和具体产品即可，这样系统的可扩展性也就变得非常好，完全符合开闭原则。

3.2 工厂方法模式确定

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，会给系统带来额外的开销。
由于考虑到徐通的可扩展性，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。

3.3 工厂方法模式适用环境

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，只需要知道对应的工厂即可，具体产品对象有具体工厂类创建，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替换原则，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。