【Java设计模式002】工厂模式

概述

工厂模式（Factory Pattern）是 Java 中最常用的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。工厂模式提供了一种将对象的实例化过程封装在工厂类中的方式。通过使用工厂模式，可以将对象的创建与使用代码分离，提供一种统一的接口来创建不同类型的对象。

先看一个例子，首先定义一个 Coffee 抽象类，作为所有咖啡的基类。

public abstract class Coffee {
    String name;


    public Coffee(String name) {
        this.name = name;
    }

    abstract void addMilk(AMOUNT amount);

    abstract void addSugar(AMOUNT amount);

    abstract void addIce(AMOUNT amount);

    public String getName() {
        return name;
    }
}

再定义两种咖啡：

public class AmericanCoffee extends Coffee {

    public AmericanCoffee() {
        super("美式咖啡");
    }

    @Override
    void addMilk(AMOUNT amount) {
        System.out.println("美式咖啡其他行为");
        System.out.println("添加" + amount.name() + "牛奶");
    }

    @Override
    void addSugar(AMOUNT amount) {
        System.out.println("美式咖啡其他行为");
        System.out.println("美式咖啡不能添加糖");
    }

    @Override
    void addIce(AMOUNT amount) {
        System.out.println("美式咖啡其他行为");
        System.out.println("添加" + amount.name() + "冰");
    }
}

public class LatteCoffee extends Coffee {

    public LatteCoffee() {
        super("拿铁咖啡");
    }

    @Override
    void addMilk(AMOUNT amount) {
        System.out.println("拿铁咖啡其他行为");
        System.out.println("添加" + amount.name() + "牛奶");
    }

    @Override
    void addSugar(AMOUNT amount) {
        System.out.println("拿铁咖啡其他行为");
        System.out.println("添加" + amount.name() + "糖");
    }

    @Override
    void addIce(AMOUNT amount) {
        System.out.println("拿铁咖啡其他行为");
        System.out.println("拿铁咖啡不能添加冰");
    }
}

最后定义一个咖啡店类：

public class CoffeeStore {

    public Coffee orderCoffee(String coffeeType) {
        if ("latte".equals(coffeeType)) {
            return new LatteCoffee();
        } else if ("american".equals(coffeeType)) {
            return new AmericanCoffee();
        } else {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
    }
}

其 UML 类图如下：

UML类图

我们可以看到CoffeeStore这个类和具体产品是耦合的，创建对象和使用对象的代码放在一起意味着每一次我们添加一个新的咖啡种类时，都要更改 orderCoffee 这个方法，也就是要更改客户端，这显然违背了开闭原则；

而工厂模式的好处在于通过使用工厂模式，可以将对象的创建与使用代码分离，提供一种统一的接口来创建不同类型的对象。工厂模式最简单实现就是简单工厂模式，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，简单工厂模式不是一种正式的设计模式，而是一种规范，他包含如下成员：

• 抽象产品 ：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能；
• 具体产品 ：实现或者继承抽象产品的子类；
• 具体工厂 ：提供了创建产品的方法，调用者通过该方法来获取产品。

为了实践简单工厂模式，我们创建一个新的类 CoffeeFactory，用于控制咖啡的创建，其代码如下：

public class CoffeeFactory {

    public static Coffee getCoffee(String coffeeType) {
        if ("latte".equals(coffeeType)) {
            return new LatteCoffee();
        } else if ("american".equals(coffeeType)) {
            return new AmericanCoffee();
        } else {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
    }
}

其 UML 类图如下：

简单工厂模式

通过添加一个简单的咖啡工厂，这样让CoffeeStore和 Coffee 进行了解耦，虽然增加一个咖啡类还是需要更改CoffeeFactory的代码，但需要修改的代码量已经大幅度下降。

工厂类是整个简单工厂模式的关键。包含了必要的逻辑判断，根据外界给定的信息，决定究竟应该创建哪个具体类的对象。通过使用工厂类，外界可以从直接创建具体产品对象的尴尬局面摆脱出来，仅仅需要负责使用创建出来的对象就可以了。而不必管这些对象究竟如何创建及如何组织的。明确了各自的职责和权利，有利于整个体系结构的优化。

简单工厂模式的问题在于 CoffeeFactory 和各种 Coffee 的耦合，为了解决这个问题，可以采用工厂方法模式，工厂方法模式的主要结构如下：

• 抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，调用者通过它访问具体工厂的工厂方法来创建产品。
• 具体工厂（ConcreteFactory）：主要是实现抽象工厂中的抽象方法，完成具体产品的创建。
• 抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。
• 具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间一一对应。

首先添加一个抽象工厂类 IFactory 以及其具体实现类（AmericanFactory、LatteFactory）

public interface IFactory {
    Coffee getCoffee();
}

public class LatteFactory implements IFactory {
    @Override
    public Coffee getCoffee() {
        return new LatteCoffee();
    }
}

public class AmericanFactory implements IFactory {
    @Override
    public Coffee getCoffee() {
        return new AmericanCoffee();
    }
}

其 UML 类图如下：

工厂方法模式

咖啡工厂喝咖啡一一对应，因此我们只要知道咖啡的名称便可以使用对应的具体工厂直接创建出对应的咖啡；这就将 CoffeeFactory 和各种 Coffee 进行了解耦。工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象和推广，由于使用了面向对象的多态性，工厂方法模式保持了简单工厂模式的优点，同时克服了它的缺点。添加新产品时，只需要添加对应的工厂实现类和产品类即可，满足开闭原则；但是由于添加一个产品就得添加一个工厂，使用该模式会增加系统复杂度。

由于工厂方法模式中的每个工厂只生产一类产品，可能会导致系统中存在大量的工厂类，势必会增加系统的开销。此时，我们可以考虑将一些相关的产品组成一个产品族，由同一个工厂来统一生产，这就是抽象工厂模式的基本思想。所谓产品族，举一个简单的例子，苹果可以生产电脑和鼠标；微软也可以生产电脑和鼠标；同一个公司生产的不同产品就是一个产品族，不同公司生产的同种产品只是产品等级不同的产品，抽象工厂的核心就是构建一个产品族的抽象工厂，他与工厂方法模式的最显著区别在于一个工厂可以创建多个产品。其示例如下：

抽象工厂模式

总结一下：工厂模式的意义在于【将实例化对象的代码提取出来，放到一个类中统一管理和维护，达到和主项目的依赖关系的解耦】，从而提高项目的扩展和维护性。增加新的产品族很方便，无须修改已有系统，符合“开闭原则”。其核心优点是：

• 可以使代码结构清晰，有效地封装变化；
• 对调用者屏蔽具体的产品类，调用者不需要使用 new 关键字创建产品；
• 降低耦合度。

使用场景：当我们需要根据给定条件的不同创建不同的实例，就可以使用工厂方法模式，如果具体产品有产品族和产品等级两个维度，那么可以考虑使用抽象工厂模式。

往期回顾

1. 【Java设计模式001】单例模式

文中难免会出现一些描述不当之处（尽管我已反复检查多次），欢迎在留言区指正，相关的知识点也可进行分享，希望大家都能有所收获！！如果觉得我的文章写得还行，不妨支持一下。你的每一个转发、关注、点赞、评论都是对我最大的支持！