设计模式学习笔记 - 设计模式与范式 - 创建型：4.工厂模式（上）：工厂模式的介绍和使用场景分析

陈建1112024-03-24 11:43

概述

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。

在三种细分的工厂模式中，简单工厂、工厂方法原理比较简单，在实际的项目中也比较常用。而抽象工厂的原理稍微有点复杂，在实际的项目中也相对不常用。所以，重点讲解前两种工厂模式。

简单工厂（Simple Factory）

我们通过一个例子来解释下简单工厂模式。下面这段代码中，根据配置文件的后缀（json、xml、yaml、properties），选择不同的解析器，将存储在文件中的配置解析成内存对象 RuleConfig。

java 复制代码 
public class RuleConfigSource {
    public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
        String ruleConfigFileExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);
        IRuleConfigParser parser = null;
        if ("json".equals(ruleConfigFileExtension)) {
            parser = new JsonRuleConfigParser();
        } else if ("xml".equals(ruleConfigFileExtension)) {
            parser = new XmlRuleConfigParser();
        } else if ("yaml".equals(ruleConfigFileExtension)) {
            parser = new YamlRuleConfigParser();
        } else if ("properties".equals(ruleConfigFileExtension)) {
            parser = new PropertiesRuleConfigParser();
        } else {
            throw new InvalidRuleConfigException(
                    "Rule config file format is not supported" + ruleConfigFilePath);
        }
        String configText = "";
        // 从ruleConfigFilePath文件中读取配置文件到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";
    }
}

在 "规范和重构" 那部分文章中，我们讲到，为了让代码逻辑更加清晰，可读性更好，要善于将功能独立的代码封装成函数。按照这个设计思路，我们可以将涉及 parser 创建的那部分逻辑剥离出来，抽象成 createParser() 函数。重构之后的代码如下：

java 复制代码 
public class RuleConfigSource {
    public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
        String ruleConfigFileExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);
        IRuleConfigParser parser = createParser(ruleConfigFileExtension);
        if (parser == null) {
            throw new InvalidRuleConfigException(
                    "Rule config file format is not supported" + ruleConfigFilePath);
        }
        String configText = "";
        // 从ruleConfigFilePath文件中读取配置文件到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";
    }

    private IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
        IRuleConfigParser parser = null;
        if ("json".equals(configFormat)) {
            parser = new JsonRuleConfigParser();
        } else if ("xml".equals(configFormat)) {
            parser = new XmlRuleConfigParser();
        } else if ("yaml".equals(configFormat)) {
            parser = new YamlRuleConfigParser();
        } else if ("properties".equals(configFormat)) {
            parser = new PropertiesRuleConfigParser();
        }
        return parser;
    }
}

为了让类职责更加单一、代码更加清晰，还可以进一步将 createParser() 函数剥离到一个独立的类中，让这个类负责对象的创建。而这个类就是要讲的简单工厂模式类。具体的代码如下所示：

java 复制代码 
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文件中读取配置文件到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".equals(configFormat)) {
            parser = new JsonRuleConfigParser();
        } else if ("xml".equals(configFormat)) {
            parser = new XmlRuleConfigParser();
        } else if ("yaml".equals(configFormat)) {
            parser = new YamlRuleConfigParser();
        } else if ("properties".equals(configFormat)) {
            parser = new PropertiesRuleConfigParser();
        }
        return parser;
    }
}

大部分工厂类都是以 "Factory" 这个单词结尾的，但也不是必须的，比如 Java 中的 DateFormar、Calendar。此外，工厂可以做工创建对象的方法一般都是以 create 开头，比如代码中的 createParser()，但有的也命名为 getInstance() 、 createInstance() 、 newInstance() ，有的甚至命名为 valueOf() 等等，这个我们根据具体的场景和习惯来命名就好。

在上面的代码实现中，每次调用 RuleConfigParserFactory 的 createParser() 时，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，可以将 parser 事先创建好缓存起来。当调用 createParser() 时，从缓存中取出 parser 对象直接使用。

这有点类似单例模式和工厂模式的结合，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做简单工厂模式的第一种实现方法 ，把下面这种实现方式叫做简单工厂模式的第二种实现方式。

java 复制代码 
public class RuleConfigParserFactory {
    private static final Map<String, IRuleConfigParser> cachedParser = new HashMap<>();
    
    static {
        cachedParser.put("json", new JsonRuleConfigParser());
        cachedParser.put("xml", new XmlRuleConfigParser());
        cachedParser.put("yaml", new YamlRuleConfigParser());
        cachedParser.put("properties", new PropertiesRuleConfigParser());
    }
    
    public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
        if (configFormat == null || configFormat.isEmpty()) {
            return null;
        }
        IRuleConfigParser parser = cachedParser.get(configFormat);
        return parser;
    }
}

对于上面两种简单工厂模式的实现方法，如果要添加新的 parser，那势必要改动到 RuleConfigParserFactory 的代码，那这是不是违反开闭原则呢？实际上，如果不是需要频繁地添加新的 parser，只是偶尔修改一下 RuleConfigParserFactory 的代码，也是可以接受的。

此外，在 RuleConfigParserFactory 的第一种代码实现中，有一组 if 分支判断逻辑，是不是应该用多态或其他设计模式来替代呢》实际上，如果分支不多，代码中的 if 分支也是完全可以接受的。应多态或设计模式来替代 if 分支判断逻辑，也并不是没有任何缺点的，它虽然提高了代码的扩展性，更加符合开闭原则，但也增加了类的个数，牺牲了代码的可读性。

总结下，尽管简单工厂模式的代码实现中，有多出 if 分支判断逻辑，违反开闭原则，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，不需要频繁的添加 parser，也没有太多的 parser） 是没有问题的。

工厂方法（Factory Method）

如果我们非要将 if 分支逻辑去掉，那该怎么办被？ 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。重构之后的代码如下所示：

java 复制代码 
public interface IRuleConfigParseFactory {
    IRuleConfigParser createParser();
}

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

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

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

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

实际上，这就是工厂方法模式的典型实现。这样当我们新增一种 parser 的时候，只需要新增一个实现 IRuleConfigParseFactory 接口的 Factory 类即可。所以，工厂方法比起简单模式更加符合开闭原则。

从上面的工厂方法的实现来看，一切都很完美，但实际上存在挺大的问题。问题存在于这些工厂的使用上。接下来，一起看下如何用这些工厂类来实现 RuleConfigSource 的 load() 函数。

java 复制代码 
public class RuleConfigSource {
    public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
        String ruleConfigFilePathExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);

        IRuleConfigParseFactory parseFactory = null;
        if ("json".equals(ruleConfigFilePathExtension)) {
            parseFactory = new JsonRuleConfigParserFactory();
        } else if ("xml".equals(ruleConfigFilePathExtension)) {
            parseFactory = new XmlRuleConfigParserFactory();
        } else if ("yaml".equals(ruleConfigFilePathExtension)) {
            parseFactory = new YamlRuleConfigParserFactory();
        } else if ("properties".equals(ruleConfigFilePathExtension)) {
            parseFactory = new PropertiesRuleConfigParserFactory();
        }else {
            throw new InvalidRuleConfigException(
                    "Rule config file format is not supported: " + ruleConfigFilePath);
        }

        IRuleConfigParser parser = parseFactory.createParser();
        String configText = "";
        // 从ruleConfigFilePath文件中读取配置文件到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";
    }
}

从上面的代码实现来看，工厂类对象的创建逻辑又耦合进了 load() 函数中，跟我最初的代码版本非常相似，引入工厂方法非但没有解决问题，反倒让设计变得更加复杂了。那怎么来解决这个问题呢？

可以为工厂类再建一个简单工厂，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，把代码实现出来，你一看就明白了。其中 RuleConfigParserFactoryMap 类就是创建工厂对象的工厂类， getParseFactory() 返回的就是缓存好的单例工厂对象。

java 复制代码 
public class RuleConfigSource {
    public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
        String ruleConfigFilePathExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);

        IRuleConfigParseFactory parseFactory = RuleConfigParserFactoryMap.getParseFactory(ruleConfigFilePathExtension);
        if (parseFactory == null) {
            throw new InvalidRuleConfigException(
                    "Rule config file format is not supported: " + ruleConfigFilePath);
        }

        IRuleConfigParser parser = parseFactory.createParser();
        String configText = "";
        // 从ruleConfigFilePath文件中读取配置文件到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 RuleConfigParserFactoryMap {
    private static final Map<String, IRuleConfigParseFactory> cachedFactories = new HashMap<>();

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

    public static IRuleConfigParseFactory getParseFactory(String type) {
        if (type == null || type.isEmpty()) {
            return null;
        }
        IRuleConfigParseFactory parseFactory = cachedFactories.get(type);
        return parseFactory;
    }
}

当需要添加新的规则配置解析器时，只需创建新的 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，简单工厂模式比工厂方法模式更加合适。

什么时候该用工厂方法模式，而非简单工厂模式呢？

前面提到过，之所以将某个代码单独剥离出来，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，更加可维护、可读。但是如果代码本身并不复杂，就几行代码就没有必要将它们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，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。

此外，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-esle 分支逻辑，这个时候，我们就推荐使用工厂方法模式。

抽象工厂（Abstract Factory）

讲完了简单工厂、工厂方法，我们再来看下抽象工厂模式。抽象工厂模式的应用场景比较特殊，没有前两种常用，所以不是本节学习的重点，简单了解一下就好。

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。

java 复制代码 
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 ISystemConfigParser
JsonSystemConfigParser
XmlSystemConfigParser
YamlSystemConfigParser
PropertiesSystemConfigParser

针对这种场景，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，即编写 8 个工厂类。如果我们未来还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。这样就可以有效的减少工厂类的个数。具体的实现代码如下所示：

java 复制代码 
public interface IConfigParseFactory {
    IRuleConfigParser createRuleParser();
    ISystemConfigParser createSystemParser();
}

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

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

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

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

public class YamlConfigParserFactory implements IConfigParseFactory {
    @Override
    public IRuleConfigParser createRuleParser() {
        return new YamlRuleConfigParser();
    }

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

public class PropertiesConfigParserFactory implements IConfigParseFactory {
    @Override
    public IRuleConfigParser createRuleParser() {
        return new PropertiesRuleConfigParser();
    }

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

总结

今天讲的三种工厂模式中，简单工厂和工厂方法比较常用，抽象工厂的应用场景比较特殊，所以很少用到。下面只对前两种工厂模式的应用场景进行总结。

当创建逻辑比较复杂，是一个 "大工程" 时，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逻辑分离。何为创建逻辑比较复杂呢？

  • 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。
  • 第二种情况：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，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，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，因为单个对象的创建逻辑本身就比较复杂，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，那就直接通过 new 来创建对象就可以了，不需要使用工厂模式。

现在，我们上升到一个思维层面来看工厂模式，它的作用无外乎下面这四个。这也是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。
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