工厂模式的理论与实现

本文实践代码仓库：https://github.com/goSilver/my_practice

一、定义

工厂模式是一种创建对象的设计模式。它提供了一种统一的接口来创建对象，而不需要直接使用构造函数。工厂模式将对象的创建过程封装在一个工厂类中，通过调用工厂类的方法来创建对象。这种模式可以隐藏对象创建的细节，使代码更加灵活和可维护。工厂模式通常包括一个抽象工厂类和多个具体工厂类，每个具体工厂类负责创建一种具体类型的对象。这样，通过使用不同的具体工厂类，可以创建不同类型的对象，而无需在代码中直接引用具体类。

二、作用

1. 封装变化：创建逻辑有可能变化，封装成工厂类之后，创建逻辑的变更对调用者透明。
2. 代码复用：创建代码抽离到独立的工厂类之后可以复用。
3. 隔离复杂性：封装复杂的创建逻辑，调用者无需了解如何创建对象。
4. 控制复杂度：将创建代码抽离出来，让原本的函数或类职责更单一， 代码更简洁。

三、实现

定义一个工厂类，由工厂来负责具体子类的实例化，用户无需关心对象的创建细节，以达到客户端和具体子类实现的解耦。一般分为简单工厂、工厂方法和抽象工厂三种实现方式。

3.1 简单工厂

为了让类的职责更加单一、代码更加清晰，将 createParser() 函数剥离到一个独立的类中，让这个类只负责对象的创建。而这个类就是我们现在要讲的简单工厂模式类。具体的代码如下所示：

/**
 * 简单工厂第一种实现方式，通过if判断需要创建的对象，每次都是new一个新的对象
 *
 * @author goku
 * @datetime 2023/8/1 11:01 PM
 */
public class RuleConfigParserFactory {
    public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
        IRuleConfigParser parser = null;
        if ("json".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
            parser = new JsonRuleConfigParser();
        } else if ("xml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
            parser = new XmlRuleConfigParser();
        } else if ("yaml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
            parser = new YamlRuleConfigParser();
        } else if ("properties".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
            parser = new PropertiesRuleConfigParser();
        }
        return parser;
    }
}

在上面的代码实现中，我们每次调用 RuleConfigParserFactory 的 createParser() 的时候，都要创建一个新的 parser。实际上，如果 parser 可以复用，为了节省内存和对象创建的时间，我们可以将 parser 事先创建好缓存起来。当调用 createParser() 函数的时候，我们从缓存中取出 parser 对象直接使用。

/**
 * 简单工厂的第二种实现方式，通过一个map将对象都提前创建并缓存起来
 *
 * @author goku
 * @datetime 2023/8/1 11:14 PM
 */
public class RuleConfigParserFactoryMap {
    private static final Map<String, IRuleConfigParser> CACHED_PARSERS = new HashMap<>();

    static {
        CACHED_PARSERS.put("json", new JsonRuleConfigParser());
        CACHED_PARSERS.put("xml", new XmlRuleConfigParser());
        CACHED_PARSERS.put("yaml", new YamlRuleConfigParser());
        CACHED_PARSERS.put("properties", new PropertiesRuleConfigParser());
    }

    public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
        if (configFormat == null || configFormat.isEmpty()) {
            return null;
        }
        return CACHED_PARSERS.get(configFormat.toLowerCase());
    }
}

尽管简单工厂模式的代码实现中，有多处 if 分支判断逻辑，违背开闭原则，但权衡扩展性和可读性，这样的代码实现在大多数情况下（比如，不需要频繁地添加 parser，也没有太多的 parser）是没有问题的。

3.2 工厂方法

定义一个IRuleConfigParserFactory工厂类，所有子类实现该工厂类，并实现自己的createParser()方法，代码如下：

public interface IRuleConfigParserFactory {
  IRuleConfigParser createParser();
}

public class JsonRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new JsonRuleConfigParser();
  }
}

public class XmlRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new XmlRuleConfigParser();
  }
}

public class YamlRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new YamlRuleConfigParser();
  }
}

public class PropertiesRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new PropertiesRuleConfigParser();
  }
}

这就是工厂方法模式的典型代码实现。这样当我们新增一种 parser 的时候，只需要新增一个实现了 IRuleConfigParserFactory 接口的 Factory 类即可。所以，工厂方法模式比起简单工厂模式更加符合开闭原则。

我们可以为工厂类再创建一个简单工厂，也就是工厂的工厂，用来创建工厂类对象。这段话听起来有点绕，我把代码实现出来了，你一看就能明白了。其中，RuleConfigParserFactoryMap 类是创建工厂对象的工厂类，getParserFactory() 返回的是缓存好的单例工厂对象。

public class RuleConfigParserFactoryMap {
    private static final Map<String, IRuleConfigParserFactory> CACHED_FACTORIES = new HashMap<>();

    static {
        CACHED_FACTORIES.put("json", new JsonRuleConfigParserFactory());
        CACHED_FACTORIES.put("xml", new XmlRuleConfigParserFactory());
        CACHED_FACTORIES.put("yaml", new YamlRuleConfigParserFactory());
        CACHED_FACTORIES.put("properties", new PropertiesRuleConfigParserFactory());
    }

    public static IRuleConfigParserFactory getParserFactory(String type) {
        if (type == null || type.isEmpty()) {
            return null;
        }
        return CACHED_FACTORIES.get(type.toLowerCase());
    }
}

当我们需要添加新的规则配置解析器的时候，我们只需要创建新的 parser 类和 parser factory 类，并且在 RuleConfigParserFactoryMap 类中，将新的 parser factory 对象添加到 cachedFactories 中即可。代码的改动非常少，基本上符合开闭原则。

实际上，对于规则配置文件解析这个应用场景来说，工厂模式需要额外创建诸多 Factory 类，也会增加代码的复杂性，而且，每个 Factory 类只是做简单的 new 操作，功能非常单薄（只有一行代码），也没必要设计成独立的类，所以，在这个应用场景下，简单工厂模式简单好用，比工厂方法模式更加合适。

3.3 简单工厂和工厂方法如何选择？

我们前面提到，之所以将某个代码块剥离出来，独立为函数或者类，原因是这个代码块的逻辑过于复杂，剥离之后能让代码更加清晰，更加可读、可维护。但是，如果代码块本身并不复杂，就几行代码而已，我们完全没必要将它拆分成单独的函数或者类。

基于这个设计思想，当对象的创建逻辑比较复杂，不只是简单的 new 一下就可以，而是要组合其他类对象，做各种初始化操作的时候，我们推荐使用工厂方法模式，将复杂的创建逻辑拆分到多个工厂类中，让每个工厂类都不至于过于复杂。而使用简单工厂模式，将所有的创建逻辑都放到一个工厂类中，会导致这个工厂类变得很复杂。

除此之外，在某些场景下，如果对象不可复用，那工厂类每次都要返回不同的对象。如果我们使用简单工厂模式来实现，就只能选择第一种包含 if 分支逻辑的实现方式。如果我们还想避免烦人的 if-else 分支逻辑，这个时候，我们就推荐使用工厂方法模式。

3.4 抽象工厂

在简单工厂和工厂方法中，类只有一种分类方式。比如，在规则配置解析那个例子中，解析器类只会根据配置文件格式（Json、Xml、Yaml……）来分类。但是，如果类有两种分类方式，比如，我们既可以按照配置文件格式来分类，也可以按照解析的对象（Rule 规则配置还是 System 系统配置）来分类，那就会对应下面这 8 个 parser 类。

针对规则配置的解析器：基于接口IRuleConfigParser
JsonRuleConfigParser
XmlRuleConfigParser
YamlRuleConfigParser
PropertiesRuleConfigParser

针对系统配置的解析器：基于接口ISystemConfigParser
JsonSystemConfigParser
XmlSystemConfigParser
YamlSystemConfigParser
PropertiesSystemConfigParser

针对这种特殊的场景，如果还是继续用工厂方法来实现的话，我们要针对每个 parser 都编写一个工厂类，也就是要编写 8 个工厂类。如果我们未来还需要增加针对业务配置的解析器（比如 IBizConfigParser），那就要再对应地增加 4 个工厂类。而我们知道，过多的类也会让系统难维护。这个问题该怎么解决呢？

抽象工厂就是针对这种非常特殊的场景而诞生的。我们可以让一个工厂负责创建多个不同类型的对象（IRuleConfigParser、ISystemConfigParser 等），而不是只创建一种 parser 对象。这样就可以有效地减少工厂类的个数。具体的代码实现如下所示：

public interface IConfigParserFactory {
  IRuleConfigParser createRuleParser();
  ISystemConfigParser createSystemParser();
  //此处可以扩展新的parser类型，比如IBizConfigParser
}

public class JsonConfigParserFactory implements IConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createRuleParser() {
    return new JsonRuleConfigParser();
  }

  @Override
  public ISystemConfigParser createSystemParser() {
    return new JsonSystemConfigParser();
  }
}

public class XmlConfigParserFactory implements IConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createRuleParser() {
    return new XmlRuleConfigParser();
  }

  @Override
  public ISystemConfigParser createSystemParser() {
    return new XmlSystemConfigParser();
  }
}

// 省略YamlConfigParserFactory和PropertiesConfigParserFactory代码

四、总结

当创建逻辑比较复杂，是一个“大工程”的时候，我们就考虑使用工厂模式，封装对象的创建过程，将对象的创建和使用相分离。何为创建逻辑比较复杂呢？我总结了下面两种情况。

• 第一种情况：类似规则配置解析的例子，代码中存在 if-else 分支判断，动态地根据不同的类型创建不同的对象。针对这种情况，我们就考虑使用工厂模式，将这一大坨 if-else 创建对象的代码抽离出来，放到工厂类中。
• 还有一种情况，尽管我们不需要根据不同的类型创建不同的对象，但是，单个对象本身的创建过程比较复杂，比如前面提到的要组合其他类对象，做各种初始化操作。在这种情况下，我们也可以考虑使用工厂模式，将对象的创建过程封装到工厂类中。

对于第一种情况，当每个对象的创建逻辑都比较简单的时候，我推荐使用简单工厂模式，将多个对象的创建逻辑放到一个工厂类中。当每个对象的创建逻辑都比较复杂的时候，为了避免设计一个过于庞大的简单工厂类，我推荐使用工厂方法模式，将创建逻辑拆分得更细，每个对象的创建逻辑独立到各自的工厂类中。同理，对于第二种情况，因为单个对象本身的创建逻辑就比较复杂，所以，我建议使用工厂方法模式。