设计模式 | 简单工厂模式及典型应用

前言

设计模式(Design Pattern)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结，使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解并且保证代码可靠性。

本文主要介绍简单工厂模式及典型应用，内容如下：

• 简单工厂模式的介绍
• 简单工厂模式的典型应用及源码分析
  
  • Calendar 类获取日历类对象
  • JDBC 获取数据库连接
  • LoggerFactory 获取 Logger 对象

简单工厂模式

工厂模式是最常用的一类创建型设计模式，包括 抽象工厂模式，工厂方法模式和简单工厂模式 这三种，简单工厂模式是其中最简单的一种

简单工厂模式(Simple Factory Pattern)：定义一个工厂类，它可以根据参数的不同返回不同类的实例，被创建的实例通常都具有共同的父类。

因为在简单工厂模式中用于创建实例的方法是静态(static)方法，因此简单工厂模式又被称为静态工厂方法(Static Factory Method)模式，它属于类创建型模式，但不属于GOF23种设计模式

角色

Factory（工厂角色）：工厂角色即工厂类，它是简单工厂模式的核心，负责实现创建所有产品实例的内部逻辑；工厂类可以被外界直接调用，创建所需的产品对象；在工厂类中提供了静态的工厂方法factoryMethod()，它的返回类型为抽象产品类型Product

Product（抽象产品角色）：它是工厂类所创建的所有对象的父类，封装了各种产品对象的公有方法，它的引入将提高系统的灵活性，使得在工厂类中只需定义一个通用的工厂方法，因为所有创建的具体产品对象都是其子类对象。

ConcreteProduct（具体产品角色）：它是简单工厂模式的创建目标，所有被创建的对象都充当这个角色的某个具体类的实例。每一个具体产品角色都继承了抽象产品角色，需要实现在抽象产品中声明的抽象方法

在简单工厂模式中，客户端通过工厂类来创建一个产品类的实例，而无须直接使用new关键字来创建对象，它是工厂模式家族中最简单的一员

示例

抽象产品类 Video，定义了抽象方法 produce()

public abstract class Video {
    public abstract void produce();
}

具体产品类 JavaVideo 和 PythonVideo，都继承了抽象产品类 Video

public class JavaVideo extends Video {
    @Override
    public void produce() {
        System.out.println("录制Java课程视频");
    }
}

public class PythonVideo extends Video {
    @Override
    public void produce() {
        System.out.println("录制Python课程视频");
    }
}

工厂类实现的两种方法：使用if-else判断和使用反射来创建对象

public class VideoFactory {
    /**
     * 使用if else 判断类型，type 为 Java 则返回 JavaVideo， type为Python则返回 PythonVideo
     */
    public Video getVideo(String type) {
        if ("java".equalsIgnoreCase(type)) {
            return new JavaVideo();
        } else if ("python".equalsIgnoreCase(type)) {
            return new PythonVideo();
        }
        return null;
    }

    /**
     * 使用反射来创建对象
     */
    public Video getVideo(Class c) {
        Video video = null;
        try {
            video = (Video) Class.forName(c.getName()).newInstance();
        } catch (InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return video;
    }
}

使用一个客户端来调用工厂类

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        VideoFactory videoFactory = new VideoFactory();
        Video video1 = videoFactory.getVideo("python");
        if (video1 == null) {
            return;
        }
        video1.produce();

        Video video2 = videoFactory.getVideo(JavaVideo.class);
        if (video2 == null) {
            return;
        }
        video2.produce();
    }
}

输出

录制Python课程视频
录制Java课程视频

Test 类通过传递参数给 VideoFactory.getVideo() 来获取对象，创建对象的逻辑交给了工厂类 VideoFactory 来完成

简单工厂模式总结

简单工厂模式的主要优点如下：

• 工厂类包含必要的判断逻辑，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职责，而仅仅“消费”产品，简单工厂模式实现了对象创建和使用的分离。
• 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在一定程度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。

简单工厂模式的主要缺点如下：

• 由于工厂类集中了所有产品的创建逻辑，职责过重，一旦不能正常工作，整个系统都要受到影响。
• 使用简单工厂模式势必会增加系统中类的个数（引入了新的工厂类），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，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，且违背开闭原则。
• 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。

适用场景：

• 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，对于如何创建对象并不关心。

简单工厂模式的典型应用及源码分析

Calendar 类获取日历类对象

Calendar 抽象类，该类的子类有 BuddhistCalendar、JapaneseImperialCalendar、GregorianCalendar、RollingCalendar等

getInstance方法，根据参数获取一个Calendar子类对象，该方法实际将参数传给 createCalendar 方法，createCalendar 在根据参数通过 provider 或 switch 或者 if-else 创建相应的子类对象

以下为 Java8 中的 Calendar 类代码，Java7 中的实现为 if-else 方式

public static Calendar getInstance(TimeZone zone, Locale aLocale) {
    return createCalendar(zone, aLocale);
}

private static Calendar createCalendar(TimeZone zone, Locale aLocale) {
    CalendarProvider provider = LocaleProviderAdapter.getAdapter(CalendarProvider.class, aLocale).getCalendarProvider();
    if (provider != null) {
        try {
            return provider.getInstance(zone, aLocale);
        } catch (IllegalArgumentException iae) {
        }
    }

    Calendar cal = null;

    if (aLocale.hasExtensions()) {
        String caltype = aLocale.getUnicodeLocaleType("ca");
        if (caltype != null) {
            switch (caltype) {
                case "buddhist":
                    cal = new BuddhistCalendar(zone, aLocale); break;
                case "japanese":
                    cal = new JapaneseImperialCalendar(zone, aLocale); break;
                case "gregory":
                    cal = new GregorianCalendar(zone, aLocale); break;
            }
        }
    }
    if (cal == null) {
        if (aLocale.getLanguage() == "th" && aLocale.getCountry() == "TH") {
            cal = new BuddhistCalendar(zone, aLocale);
        } else if (aLocale.getVariant() == "JP" && aLocale.getLanguage() == "ja" && aLocale.getCountry() == "JP") {
            cal = new JapaneseImperialCalendar(zone, aLocale);
        } else {
            cal = new GregorianCalendar(zone, aLocale);
        }
    }
    return cal;
}

可以看到抽象产品角色和工厂角色都由 Calendar 担任，具体产品角色由 Calendar 的子类担任

JDBC 获取数据库连接

一般JDBC获取MySQL连接的写法如下：

//加载MySql驱动
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/test", "root", "123456");

首先通过反射加载驱动类 com.mysql.jdbc.Driver 类，然后再通过 DriverManager 获取连接

看看 com.mysql.jdbc.Driver 的代码，该类主要的内容是静态代码块，其会随着类的加载一块执行

public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
    public Driver() throws SQLException {
    }
    static {
        try {
            DriverManager.registerDriver(new Driver());
        } catch (SQLException var1) {
            throw new RuntimeException("Can't register driver!");
        }
    }
}

静态代码块：new 一个 Driver 类并注册到 DriverManager 驱动管理类中

public static synchronized void registerDriver(java.sql.Driver driver, DriverAction da) throws SQLException {
    /* Register the driver if it has not already been added to our list */
    if(driver != null) {
        registeredDrivers.addIfAbsent(new DriverInfo(driver, da));
    } else {
        throw new NullPointerException();
    }
    println("registerDriver: " + driver);
}

其中的 registeredDrivers 是一个 CopyOnWriteArrayList 对象

private final static CopyOnWriteArrayList registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList是Java并发包中提供的一个并发容器，它是个线程安全且读操作无锁的ArrayList，写操作则通过创建底层数组的新副本来实现，是一种读写分离的并发策略，我们也可以称这种容器为”写时复制器”，Java并发包中类似的容器还有CopyOnWriteSet
一篇CopyOnWriteArrayList的文章：https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6881974.html

再通过 DriverManager.getConnection 获取连接对象的主要代码如下：通过for循环从已注册的驱动中(registeredDrivers)获取驱动，尝试连接，成功则返回连接

private static Connection getConnection(String url, java.util.Properties info, Class caller) throws SQLException {
    // ...省略...
    println("DriverManager.getConnection(\"" + url + "\")");
    for(DriverInfo aDriver : registeredDrivers) {
        // If the caller does not have permission to load the driver then skip it.
        if(isDriverAllowed(aDriver.driver, callerCL)) {
            try {
                println("    trying " + aDriver.driver.getClass().getName());
                Connection con = aDriver.driver.connect(url, info);
                if (con != null) {
                    // Success!
                    println("getConnection returning " + aDriver.driver.getClass().getName());
                    return (con);
                }
            } catch (SQLException ex) {
                if (reason == null) {
                    reason = ex;
                }
            }
        } else {
            println("    skipping: " + aDriver.getClass().getName());
        }
    }
    // ...省略...
}

工厂角色为 DriverManager 类，抽象产品角色为 Connection，具体产品角色则很多

Logback 中的 LoggerFactory 获取 Logger 对象

查看 LoggerFactory 类的 getLogger 方法，可看到调用了 iLoggerFactory.getLogger()，其中 iLoggerFactory 是一个接口

public static Logger getLogger(String name) {
    ILoggerFactory iLoggerFactory = getILoggerFactory();
    return iLoggerFactory.getLogger(name);
}

public static Logger getLogger(Class clazz) {
    return getLogger(clazz.getName());
}

iLoggerFactory 接口只有一个 getLogger 方法

public interface ILoggerFactory {
    Logger getLogger(String var1);
}

查看其子类依赖关系

再看一个子类 LoggerContext 对 ILoggerFactory 的实现

可看到这是通过 if-else 方式的简单工厂模式

工厂角色为 iLoggerFactory 接口的子类如 LoggerContext，抽象产品角色为 Logger，具体产品角色为 Logger 的子类，主要是 NOPLogger 和 Logger 类

小结

下一篇介绍工厂方法及典型应用

参考：
刘伟：设计模式Java版
慕课网java设计模式精讲 Debug 方式+内存分析

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