设计模式-02-工厂模式

       经典的设计模式有23种,但是常用的设计模式一般情况下不会到一半,我们就针对一些常用的设计模式进行一些详细的讲解和分析,方便大家更加容易理解和使用设计模式。

1-简单介绍

        一般情况下,工厂模式分为三种更加细分的类型:简单工厂、工厂方法和抽象工厂。不过,在GoF的《设计模式》一书中,它将简单工厂模式看作是工厂方法模式的一种特例,所以工厂模式只被分成了工厂方法和抽象工厂两类。实际上,前面一种分类方法更加常见。

2-简单工厂(Simple Factory)

       需求:在下面这段代码中,我们根据配置文件的后缀(json、xml、yaml、properties),选择不同的解析器(JsonRuleConfigParser、XmlRuleConfigParser……),将存储在文件中的配置解析成内存对象RuleConfig。

public class RuleConfigSource {
  public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
    String ruleConfigFileExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);
    IRuleConfigParser parser = null;
    if ("json".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parser = new JsonRuleConfigParser();
    } else if ("xml".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parser = new XmlRuleConfigParser();
    } else if ("yaml".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parser = new YamlRuleConfigParser();
    } else if ("properties".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parser = new PropertiesRuleConfigParser();
    } else {
      throw new InvalidRuleConfigException(
             "Rule config file format is not supported: " + ruleConfigFilePath);
    }

    String configText = "";
    //从ruleConfigFilePath文件中读取配置文本到configText中
    RuleConfig ruleConfig = parser.parse(configText);
    return ruleConfig;
  }

  private String getFileExtension(String filePath) {
    //...解析文件名获取扩展名,比如rule.json,返回json
    return "json";
  }
}

       为了让类的职责更加单一、代码更加清晰,IRuleConfigParser的创建功能抽取到独立的类中,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。

public class RuleConfigSource {
  public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
    String ruleConfigFileExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);
    IRuleConfigParser parser = RuleConfigParserFactory.createParser(ruleConfigFileExtension);
    if (parser == null) {
      throw new InvalidRuleConfigException(
              "Rule config file format is not supported: " + ruleConfigFilePath);
    }

    String configText = "";
    //从ruleConfigFilePath文件中读取配置文本到configText中
    RuleConfig ruleConfig = parser.parse(configText);
    return ruleConfig;
  }

  private String getFileExtension(String filePath) {
    //...解析文件名获取扩展名,比如rule.json,返回json
    return "json";
  }
}

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;
  }
}

        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。

       这有点类似单例模式和简单工厂模式的结合,具体的代码实现如下所示。在接下来的讲解中,我们把上一种实现方法叫作简单工厂模式的第一种实现方法,把下面这种实现方法叫作简单工厂模式的第二种实现方法。

public class RuleConfigParserFactory {
  private static final Map cachedParsers = new HashMap<>();

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

  public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
    if (configFormat == null || configFormat.isEmpty()) {
      return null;//返回null还是IllegalArgumentException全凭你自己说了算
    }
    IRuleConfigParser parser = cachedParsers.get(configFormat.toLowerCase());
    return parser;
  }
}

       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-工厂方法(Factory Method)

       如果我们非得要将if分支逻辑去掉,那该怎么办呢?比较经典处理方法就是利用多态。按照多态的实现思路,对上面的代码进行重构。

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();
  }
}

       实际上,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 RuleConfigSource {
  public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
    String ruleConfigFileExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);

    IRuleConfigParserFactory parserFactory = RuleConfigParserFactoryMap.getParserFactory(ruleConfigFileExtension);
    if (parserFactory == null) {
      throw new InvalidRuleConfigException("Rule config file format is not supported: " + ruleConfigFilePath);
    }
    IRuleConfigParser parser = parserFactory.createParser();

    String configText = "";
    //从ruleConfigFilePath文件中读取配置文本到configText中
    RuleConfig ruleConfig = parser.parse(configText);
    return ruleConfig;
  }

  private String getFileExtension(String filePath) {
    //...解析文件名获取扩展名,比如rule.json,返回json
    return "json";
  }
}

//因为工厂类只包含方法,不包含成员变量,完全可以复用,
//不需要每次都创建新的工厂类对象,所以,简单工厂模式的第二种实现思路更加合适。
public class RuleConfigParserFactoryMap { //工厂的工厂
  private static final Map cachedFactories = new HashMap<>();

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

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

       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,比工方法厂模式更加合适。

4-如何选择 简单工厂 和工厂方法

       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。

5-抽象工厂(Abstract Factory)

       抽象工厂模式的应用场景比较特殊,没有前两种常用,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。

       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。

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

5-判断标准

判断要不要使用工厂模式的最本质的参考标准:

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。
代码复用:创建代码抽离到独立的工厂类之后可以复用。
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。
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。

6-小结

       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。
       除了刚刚提到的这几种情况之外,如果创建对象的逻辑并不复杂,那我们就直接通过new来创建对象就可以了,不需要使用工厂模式。

ps:比如Java中的Calendar、DateFormat类等,都采用了工厂模式。

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