Java與設計模式（十）創建型--工廠方法模式

簡單工廠模式雖然簡單，但存在一個很嚴重的問題。當系統中需要引入新產品時，由於靜態工廠方法通過所傳入參數的不同來創建不同的產品，這必定要修改工廠類的源代碼，將違背“開閉原則”，如何實現增加新產品而不影響已有代碼？

一、需求

比如開發一個系統運行日誌記錄器(Logger)，該記錄器可以通過多種途徑保存系統的運行日誌，如通過文件記錄或數據庫記錄，用戶可以通過修改配置文件靈活地更換日誌記錄方式。在設計各類日誌記錄器時，開發人員發現需要對日誌記錄器進行一些初始化工作，初始化參數的設置過程較爲複雜，而且某些參數的設置有嚴格的先後次序，否則可能會發生記錄失敗。我們已經對簡單工廠模式有了一定的瞭解，那我們可以用簡單工廠模型寫完成這個需求。類圖如下：

LoggerFactory充當創建日誌記錄器的工廠，提供了工廠方法createLogger()用於創建日誌記錄器，Logger是抽象日誌記錄器接口，其子類爲具體日誌記錄器。其中，工廠類LoggerFactory代碼片段如下所示：

//日誌記錄器工廠  
class LoggerFactory {  
    //靜態工廠方法  
    public static Logger createLogger(String args) {  
        if(args.equalsIgnoreCase("db")) {  
            //連接數據庫，代碼省略  
            //創建數據庫日誌記錄器對象  
            Logger logger = new DatabaseLogger();   
            //初始化數據庫日誌記錄器，代碼省略  
            return logger;  
        }  
        else if(args.equalsIgnoreCase("file")) {  
            //創建日誌文件  
            //創建文件日誌記錄器對象  
            Logger logger = new FileLogger();   
            //初始化文件日誌記錄器，代碼省略  
            return logger;            
        }  
    }  
}

爲了突出設計重點，我們對上述代碼進行了簡化，省略了具體日誌記錄器類的初始化代碼。在LoggerFactory類中提供了靜態工廠方法createLogger()，用於根據所傳入的參數創建各種不同類型的日誌記錄器。通過使用簡單工廠模式，我們將日誌記錄器對象的創建和使用分離，客戶端只需使用由工廠類創建的日誌記錄器對象即可，無須關心對象的創建過程，但是我們發現，雖然簡單工廠模式實現了對象的創建和使用分離，但是仍然存在如下兩個問題：

• 工廠類過於龐大，包含了大量的if…else…代碼，導致維護和測試難度增大（雖然只有兩行，但是如果有多種記錄日誌的方式那這裏的if….else是相當多的）；
• 系統擴展不靈活，如果增加新類型的日誌記錄器，必須修改靜態工廠方法的業務邏輯，違反了“開閉原則”。

二、工廠方法模式概述

在簡單工廠模式中只提供一個工廠類，該工廠類處於對產品類進行實例化的中心位置，它需要知道每一個產品對象的創建細節，並決定何時實例化哪一個產品類。簡單工廠模式最大的缺點是當有新產品要加入到系統中時，必須修改工廠類，需要在其中加入必要的業務邏輯，這違背了“開閉原則”。此外，在簡單工廠模式中，所有的產品都由同一個工廠創建，工廠類職責較重，業務邏輯較爲複雜，具體產品與工廠類之間的耦合度高，嚴重影響了系統的靈活性和擴展性，而工廠方法模式則可以很好地解決這一問題。

工廠方法模式定義

在工廠方法模式中，我們不再提供一個統一的工廠類來創建所有的產品對象，而是針對不同的產品提供不同的工廠，系統提供一個與產品等級結構對應的工廠等級結構。工廠方法模式定義如下：

工廠方法模式(Factory Method Pattern)：定義一個用於創建對象的接口，讓子類決定將哪一個類實例化。工廠方法模式讓一個類的實例化延遲到其子類。工廠方法模式又簡稱爲工廠模式(Factory Pattern)，又可稱作虛擬構造器模式(Virtual Constructor Pattern)或多態工廠模式(Polymorphic Factory Pattern)。工廠方法模式是一種類創建型模式。

工廠方法模式提供一個抽象工廠接口來聲明抽象工廠方法，而由其子類來具體實現工廠方法，創建具體的產品對象。工廠方法模式結構如下圖所示：

工廠方法模式中的角色

• Product（抽象產品）：它是定義產品的接口，是工廠方法模式所創建對象的超類型，也就是產品對象的公共父類。
• ConcreteProduct（具體產品）：它實現了抽象產品接口，某種類型的具體產品由專門的具體工廠創建，具體工廠和具體產品之間一一對應。+
• Factory（抽象工廠）：在抽象工廠類中，聲明瞭工廠方法(Factory Method)，用於返回一個產品。抽象工廠是工廠方法模式的核心，所有創建對象的工廠類都必須實現該接口。
• ConcreteFactory（具體工廠）：它是抽象工廠類的子類，實現了抽象工廠中定義的工廠方法，並可由客戶端調用，返回一個具體產品類的實例。

工廠方法模式代碼示例

與簡單工廠模式相比，工廠方法模式最重要的區別是引入了抽象工廠角色，抽象工廠可以是接口，也可以是抽象類或者具體類，其典型代碼如下所示：

public interface Factory {
     public Product factoryMethod();  
}

在抽象工廠中聲明瞭工廠方法但並未實現工廠方法，具體產品對象的創建由其子類負責，客戶端針對抽象工廠編程，可在運行時再指定具體工廠類，具體工廠類實現了工廠方法，不同的具體工廠可以創建不同的具體產品，其典型代碼如下所示：

public class FactoryA implements Factory{
    @Override
    public Product factoryMethod() {
        return new ProductA();  
    }
}

public class FactoryB implements Factory{
    @Override
    public Product factoryMethod() {
        return new ProductB();  
    }
}

抽象產品 與具體產品代碼如下：

public interface Product {
    public void method();
}

public class ProductA implements Product{
    @Override
    public void method() {
        System.out.println("生成A產品");
    }
}

public class ProductB implements Product{
    @Override
    public void method() {
        System.out.println("生成B產品");
    }
}

在客戶端代碼中，只需關心工廠類即可，不同的具體工廠可以創建不同的產品，典型的客戶端類代碼片段如下所示：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Factory factory = new FactoryA(); //可通過配置文件實現  
        Product product = factory.factoryMethod();  
        product.method();
    }
}

三、需求優化

我們對工廠方法模式已經有了初步的瞭解，那我們根據上面的角色定義與代碼把日誌代碼改一下，重構後的類圖如下：

Logger接口充當抽象產品，其子類FileLogger和DatabaseLogger充當具體產品，LoggerFactory接口充當抽象工廠，其子類FileLoggerFactory和DatabaseLoggerFactory充當具體工廠。完整代碼如下所示：

//日誌記錄器接口：抽象產品  
interface Logger {  
    public void writeLog();  
}  

//數據庫日誌記錄器：具體產品  
class DatabaseLogger implements Logger {  
    public void writeLog() {  
        System.out.println("數據庫日誌記錄。");  
    }  
}  

//文件日誌記錄器：具體產品  
class FileLogger implements Logger {  
    public void writeLog() {  
        System.out.println("文件日誌記錄。");  
    }  
}  

//日誌記錄器工廠接口：抽象工廠  
interface LoggerFactory {  
    public Logger createLogger();  
}  

//數據庫日誌記錄器工廠類：具體工廠  
class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {  
    public Logger createLogger() {  
            //連接數據庫，代碼省略  
            //創建數據庫日誌記錄器對象  
            Logger logger = new DatabaseLogger();   
            //初始化數據庫日誌記錄器，代碼省略  
            return logger;  
    }     
}  

//文件日誌記錄器工廠類：具體工廠  
class FileLoggerFactory implements LoggerFactory {  
    public Logger createLogger() {  
            //創建文件日誌記錄器對象  
            Logger logger = new FileLogger();   
            //創建文件，代碼省略  
            return logger;  
    }     
}

編寫如下客戶端測試代碼：

class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        LoggerFactory factory;  
        Logger logger;  
        factory = new FileLoggerFactory(); //可引入配置文件實現  
        logger = factory.createLogger();  
        logger.writeLog();  
    }  
}

四、工廠方法模式總結

工廠方法模式是簡單工廠模式的延伸，它繼承了簡單工廠模式的優點，同時還彌補了簡單工廠模式的不足。工廠方法模式是使用頻率最高的設計模式之一，是很多開源框架和API類庫的核心模式。

主要優點

工廠方法模式的主要優點如下：

• 在工廠方法模式中，工廠方法用來創建客戶所需要的產品，同時還向客戶隱藏了哪種具體產品類將被實例化這一細節，用戶只需要關心所需產品對應的工廠，無須關心創建細節，甚至無須知道具體產品類的類名。
• 基於工廠角色和產品角色的多態性設計是工廠方法模式的關鍵。它能夠讓工廠可以自主確定創建何種產品對象，而如何創建這個對象的細節則完全封裝在具體工廠內部。工廠方法模式之所以又被稱爲多態工廠模式，就正是因爲所有的具體工廠類都具有同一抽象父類。
• 使用工廠方法模式的另一個優點是在系統中加入新產品時，無須修改抽象工廠和抽象產品提供的接口，無須修改客戶端，也無須修改其他的具體工廠和具體產品，而只要添加一個具體工廠和具體產品就可以了，這樣，系統的可擴展性也就變得非常好，完全符合“開閉原則”。

主要缺點

工廠方法模式的主要缺點如下：

• 在添加新產品時，需要編寫新的具體產品類，而且還要提供與之對應的具體工廠類，系統中類的個數將成對增加，在一定程度上增加了系統的複雜度，有更多的類需要編譯和運行，會給系統帶來一些額外的開銷。
• 由於考慮到系統的可擴展性，需要引入抽象層，在客戶端代碼中均使用抽象層進行定義，增加了系統的抽象性和理解難度。

適用場景

在以下情況下可以考慮使用工廠方法模式：

• 客戶端不知道它所需要的對象的類。在工廠方法模式中，客戶端不需要知道具體產品類的類名，只需要知道所對應的工廠即可，具體的產品對象由具體工廠類創建，可將具體工廠類的類名存儲在配置文件或數據庫中。
• 抽象工廠類通過其子類來指定創建哪個對象。在工廠方法模式中，對於抽象工廠類只需要提供一個創建產品的接口，而由其子類來確定具體要創建的對象，利用面向對象的多態性和里氏代換原則，在程序運行時，子類對象將覆蓋父類對象，從而使得系統更容易擴展。