架構師內功心法：設計模式（二）創建型模式（一）

一、簡單工廠模式（Simple Factory Pattern）

簡單工廠模式專門定義一個類來負責創建其他類的實例，被創建的實例通常都具有共同的父類。

1、簡單工廠模式結構圖

Factory：工廠類，簡單工廠模式的核心，負責創建所有實例的內部邏輯。工廠創建的產品類的方法可以直接被外界調用，創建所需的產品對象。

IProduct：抽象產品類，簡單工廠模式所創建的所有對象的父類，負責描述所有實例所共有的公共接口。

Product：具體產品類，見識簡單工廠模式的創建目標。

2、簡單工廠模式的簡單實現

我們用生產電腦來舉例，假設有一個電腦的代工生產商，目前已經生產聯想電腦了，隨着業務的拓展，這個產商還要生產惠普和華碩的電腦，這樣我們就需要用一個單獨的類來專門生產電腦，這就用到了簡單工廠模式。

（1）創建抽象產品類

public abstract class Computer {
    /**
     * 產品的抽象方法，由具體的產品類去實現
     */
    public abstract void start();
}

（2）創建具體產品類

//聯想電腦
public class LenovoComputer extends Computer{
    @Override
    public void start() {
        System.out.println("聯想電腦啓動");
    }
}
//惠普電腦
public class HpComputer extends Computer{
    @Override
    public void start() {
        System.out.println("惠普電腦啓動");
    }
}
//華碩電腦
public class AsusComputer extends Computer{
    @Override
    public void start() {
        System.out.println("華碩電腦啓動");
    }
}

（3）創建工程類

接下來創建一個工廠類，它提供了一個靜態方法createComputer用來生產電腦。你只需要傳入你想生產的電腦的品牌，它就會實例化相應品牌的電腦對象：

public class ComputerFactory {
    public static Computer createComputer(String type){
        Computer mComputer=null;
        switch (type) {
            case "lenovo":
                mComputer=new LenovoComputer();
               break;
            case "hp":
                mComputer=new HpComputer();
                break;
            case "asus":
                mComputer=new AsusComputer();
                break;
        }
        return mComputer;
    }
}

（4）客戶端調用工廠類

客戶端調用工廠類，傳入“hp”生產出惠普電腦並調用該電腦對象的start方法：

public class CreatComputer {
    public static void main(String[]args){
      ComputerFactory.createComputer("hp").start();
    }
}

3、優點和缺點

（1）優點

工廠類含有必要的判斷邏輯，可以決定在什麼時候創建哪一個產品類的實例，客戶端可以免除直接創建產品對象的責任，而僅僅“消費”產品；簡單工廠模式通過這種做法實現了對責任的分割，它提供了專門的工廠類用於創建對象。
客戶端無須知道所創建的具體產品類的類名，只需要知道具體產品類所對應的參數即可，對於一些複雜的類名，通過簡單工廠模式可以減少使用者的記憶量。
通過引入配置文件，可以在不修改任何客戶端代碼的情況下更換和增加新的具體產品類，在一定程度上提高了系統的靈活性。

（2）缺點

由於工廠類集中了所有產品創建邏輯，一旦不能正常工作，整個系統都要受到影響。
使用簡單工廠模式將會增加系統中類的個數，在一定程序上增加了系統的複雜度和理解難度。
系統擴展困難，一旦添加新產品就不得不修改工廠邏輯，同樣破壞了“開閉原則”；在產品類型較多時，有可能造成工廠邏輯過於複雜，不利於系統的擴展和維護。
簡單工廠模式由於使用了靜態工廠方法，造成工廠角色無法形成基於繼承的等級結構。

4、適用場景

在以下情況下可以使用簡單工廠模式：

工廠類負責創建的對象比較少：由於創建的對象較少，不會造成工廠方法中的業務邏輯太過複雜。
客戶端只知道傳入工廠類的參數，對於如何創建對象不關心：客戶端既不需要關心創建細節，甚至連類名都不需要記住，只需要知道類型所對應的參數。

5、模式應用

（1）JDK類庫中廣泛使用了簡單工廠模式，如工具類java.text.DateFormat，它用於格式化一個本地日期或者時間。

public final static DateFormat getDateInstance();
public final static DateFormat getDateInstance(int style);
public final static DateFormat getDateInstance(int style,Locale locale);

（2）獲取不同加密算法的密鑰生成器。

KeyGenerator keyGen=KeyGenerator.getInstance("DESede");

二、工廠方法模式（Factory Method Pattern）

1、工廠方法模式結構圖

在工廠方法模式結構圖中包含如下幾個角色：

Factory（抽象工廠類）：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須實現該接口。
ConcreteFactory（具體工廠類）：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。
Product（抽象產品類）：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具體產品類）：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。

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。

2、工廠方法模式的簡單實現

（1）抽象產品

public abstract class Cake {
    void prepare(){
        System.out.println("步驟：step 1......");
        System.out.println("步驟：step 2......");
        System.out.println("步驟：step 3......");
        System.out.println("步驟：step 4......");
    }
    void bake(){
        System.out.println("烘焙：bake");
    }
    void box(){
        System.out.println("裝盒：box");
    }
}

（2）具體產品

public class CenterCheeseCake extends Cake {
    public CenterCheeseCake(){
        name = "center cheese cake";
    }
    @Override
    public void bake(){
        System.out.println("不用烘箱，我要用火烤！");
    }
}

public class CollegeFruitCake extends Cake {
    public CollegeFruitCake(){
        name = "center fruit cake";
    }
    @Override
    public void box(){
        System.out.println("不用圓盒子打包，我愛國，用五角星盒子！");
    }
}

（3）抽象工廠

public abstract class CakeStore {
    public Cake orderCake(String type) {
        Cake cake;
        cake = createCake(type);
        cake.bake();
        cake.box();
        return cake;
    }

    protected abstract Cake createCake(String type);
}

（4）具體工廠類

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。

public class CenterCakeStore extends CakeStore {
    @Override
    protected Cake createCake(String type) {
        Cake cake = null;
        if ("cheese".equals(type)) {
            cake = new CenterCheeseCake();
        } else if ("fruit".equals(type)) {
            cake = new CenterFruitCake();
        } else if ("cream".equals(type)) {
            cake = new CenterCreamCake();
        }
        return cake;
    }
}

public class CollegeCakeStore extends CakeStore {
    @Override
    protected Cake createCake(String type) {
        Cake cake = null;
        if ("cheese".equals(type)) {
            cake = new CollegeCheeseCake();
        } else if ("fruit".equals(type)) {
            cake = new CollegeFruitCake();
        } else if ("cream".equals(type)) {
            cake = new CollegeCreamCake();
        }
        return cake;
    }
}

3、優點和缺點

（1）優點

工廠方法用來創建客戶端所需要的產品，同時還向客戶端隱藏了哪種具體產品類將被實例化這一細節，客戶端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。它能夠使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，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”。

（2）缺點

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，且在實現時可能需要用到DOM、反射等技術，增加了系統的實現難度

4、適用場景

一個類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；客戶端需要知道創建具體產品的工廠類。
一個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。
將創建對象的任務委託給多個工廠子類中的某一個，客戶端在使用時可以無須關心是哪一個工廠子類創建產品子類，需要時再動態指定，可將具體工廠類的類名存儲在配置文件或數據庫中。

5、模式擴展

使用多個工廠方法：在抽象工廠角色中可以定義多個工廠方法，從而使具體工廠角色實現這些不同的工廠方法，這些方法可以包含不同的業務邏輯，以滿足對不同的產品對象的需求。
產品對象的重複使用：工廠對象將已經創建過的產品保存到一個集合（如數組、List等）中，然後根據客戶對產品的請求，對集合進行查詢。如果有滿足要求的產品對象，就直接將該產品返回客戶端；如果集合中沒有這樣的產品對象，那麼就創建一個新的滿足要求的產品對象，然後將這個對象在增加到集合中，再返回給客戶端。
多態性的喪失和模式的退化：如果工廠僅僅返回一個具體產品對象，便違背了工廠方法的用意，發生退化，此時就不再是工廠方法模式了。一般來說，工廠對象應當有一個抽象的父類型，如果工廠等級結構中只有一個具體工廠類的話，抽象工廠就可以省略，也將發生了退化。當只有一個具體工廠，在具體工廠中可以創建所有的產品對象，並且工廠方法設計爲靜態方法時，工廠方法模式就退化成簡單工廠模式。

三、抽象工廠模式（Abstrract Factory Pattern）

抽象工廠模式可以說是是工廠方法模式的升級版，當需要創建的產品有多個產品線（產品族）時使用抽象工廠模式是比較好的選擇。我們一直都是生產聯想和惠普的電腦，但是電腦也有多個產品線：臺式機、筆記本和平板等等，聯想和惠普都在生產這些不同產品線上的電腦，使用工廠方法模式已經滿足不了需求。

爲創建一組相關或者相互依賴的對象提供一個接口，而無需指定它們的具體類。

1、抽象工廠模式結構圖

在抽象工廠模式中有如下角色：

AbstractFactory：抽象工廠，它聲明瞭用來創建不同產品的方法。
ConcreteFactory：具體工廠，實現抽象工廠中定義的創建產品的方法。
AbstractProduct：抽象產品，爲每種產品聲明業務方法。比如上圖的AbstractProductA和 AbstractProductB。
ConcreteProduct：具體產品，定義具體工廠生產的具體產品，並實現抽象產品中定義的業務方法。

2、工廠方法模式的簡單實現

聯想和惠普生產的電腦分爲了兩個產品線，一個臺式機，一個是筆記本。爲了解決增加產品線的問題，我們用抽象工廠模式來進行實現。

（1）定義抽象產品類

兩個抽象產品類分別爲DesktopComputer和NotebookComputer ，用來定義兩個產品線：臺式機和筆記本。它們都定義了start方法，用來啓動電腦。

public abstract class DesktopComputer {
  public abstract void start();
}

public abstract class NotebookComputer {
   public abstract void start();
}

（2）具體產品類

public class LenovoDesktopComputer extends DesktopComputer {
    @Override
    public void start() {
        System.out.println("聯想臺式電腦啓動");
    }
}

public class HpDesktopComputer extends DesktopComputer {
    @Override
    public void start() {
        System.out.println("惠普臺式電腦啓動");
    }
}

public class LenovoNotebookComputer extends NotebookComputer {
    @Override
    public void start() {
        System.out.println("聯想筆記本電腦啓動");
    }
}

public class HpNotebookComputer extends NotebookComputer {
    @Override
    public void start() {
        System.out.println("惠普筆記本電腦啓動");
    }
}

（3）抽象工廠

public abstract class ComputerFactory {
    public abstract DesktopComputer createDesktopComputer();
    public abstract NotebookComputer createNotebookComputer();
}

（4）具體工廠

public class LenovoFactory extends ComputerFactory {
    @Override
    public DesktopComputer createDesktopComputer() {
        return new LenovoDesktopComputer();
    }

    @Override
    public NotebookComputer createNotebookComputer() {
        return new LenovoNotebookComputer();
    }
}

public class HpFactory extends ComputerFactory {
    @Override
    public DesktopComputer createDesktopComputer() {
        return new HpDesktopComputer();
    }

    @Override
    public NotebookComputer createNotebookComputer() {
        return new HpNotebookComputer();
    }
}

（5）客戶端調用

public class Client {
    public static void main(String[]args) {
        ComputerFactory lenocoFactory=new LenovoFactory();
        lenocoFactory.createDesktopComputer().start();
        lenocoFactory.createNotebookComputer().start();
        ComputerFactory hpFactory=new HpFactory();
        hpFactory.createDesktopComputer().start();
        hpFactory.createNotebookComputer().start();
    }
}

接下來給出這個例子的UML圖，更便於理解：

3、優點和缺點

（1）優點

抽象工廠模式隔離了具體類的生成，使得客戶並不需要知道什麼被創建。由於這種隔離，更換一個具體工廠就變得相對容易。所有的具體工廠都實現了抽象工廠中定義的那些公共接口，因此只需改變具體工廠的實例，就可以在某種程度上改變整個軟件系統的行爲。另外，應用抽象工廠模式可以實現高內聚低耦合的設計目的，因此抽象工廠模式得到了廣泛的應用。
當一個產品族中的多個對象被設計成一起工作時，它能夠保證客戶端始終只使用同一個產品族中的對象。這對一些需要根據當前環境來決定其行爲的軟件系統來說，是一種非常實用的設計模式。
增加新的具體工廠和產品族很方便，無須修改已有系統，符合“開閉原則”。

（2）缺點

在添加新的產品對象時，難以擴展抽象工廠來生產新種類的產品，這是因爲在抽象工廠角色中規定了所有可能被創建的產品集合，要支持新種類的產品就意味着要對該接口進行擴展，而這將涉及到對抽象工廠角色及其所有子類的修改，顯然會帶來較大的不便。
開閉原則的傾斜性

(1) 增加產品族：對於增加新的產品族，抽象工廠模式很好地支持了“開閉原則”，只需要增加具體產品並對應增加一個新的具體工廠，對已有代碼無須做任何修改。

(2) 增加新的產品等級結構：對於增加新的產品等級結構，需要修改所有的工廠角色，包括抽象工廠類，在所有的工廠類中都需要增加生產新產品的方法，違背了“開閉原則”。

正因爲抽象工廠模式存在“開閉原則”的傾斜性，它以一種傾斜的方式來滿足“開閉原則”，爲增加新產品族提供方便，但不能爲增加新產品結構提供這樣的方便，因此要求設計人員在設計之初就能夠全面考慮，不會在設計完成之後向系統中增加新的產品等級結構，也不會刪除已有的產品等級結構，否則將會導致系統出現較大的修改，爲後續維護工作帶來諸多麻煩。

4、適用場景

在以下情況下可以考慮使用抽象工廠模式：

一個系統不應當依賴於產品類實例如何被創建、組合和表達的細節，這對於所有類型的工廠模式都是很重要的，用戶無須關心對象的創建過程，將對象的創建和使用解耦。
系統中有多於一個的產品族，而每次只使用其中某一產品族。可以通過配置文件等方式來使得用戶可以動態改變產品族，也可以很方便地增加新的產品族。
屬於同一個產品族的產品將在一起使用，這一約束必須在系統的設計中體現出來。同一個產品族中的產品可以是沒有任何關係的對象，但是它們都具有一些共同的約束，如同一製作水果蛋糕用的水果--草莓和芒果，草莓和芒果之間沒有直接關係，但它們都是屬於水果。
產品等級結構穩定，設計完成之後，不會向系統中增加新的產品等級結構或者刪除已有的產品等級結構。

5、模式擴展

“開閉原則”的傾斜性

“開閉原則”要求系統對擴展開放，對修改封閉，通過擴展達到增強其功能的目的。對於涉及到多個產品族與多個產品等級結構的系統，其功能增強包括兩方面：

增加產品族：對於增加新的產品族，工廠方法模式很好的支持了“開閉原則”，對於新增加的產品族，只需要對應增加一個新的具體工廠即可，對已有代碼無須做任何修改。
增加新的產品等級結構：對於增加新的產品等級結構，需要修改所有的工廠角色，包括抽象工廠類，所有的工廠類中都要增加生產新產品的方法，不能很好地支持“開閉原則”。

工廠模式的退化

當抽象工廠模式中每一個具體工廠類只創建一個產品對象，也就是隻存在一個產品等級結構時，抽象工廠模式退化成工廠方法模式；
當工廠方法模式中抽象工廠與具體工廠合併，提供一個統一的工廠來創建產品對象，並將創建對象的工廠方法設計爲靜態方法時，工廠方法模式退化成簡單工廠模式。

架構師內功心法：設計模式（二）創建型模式（一）

二、工廠方法模式（Factory Method Pattern）

三、抽象工廠模式（Abstrract Factory Pattern）

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二、工廠方法模式（Factory Method Pattern）

三、 抽象工廠模式（Abstrract Factory Pattern）

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