【设计模式】【创建型模式】工厂方法模式(Factory Methods)

FLZJ_KL2025-02-21 15:52

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文章目录

一、入门

什么是工厂方法模式？

工厂方法模式（Factory Method Pattern）是一种创建型设计模式，它定义了一个用于创建对象的接口，但由子类决定实例化哪个类。工厂方法模式使类的实例化延迟到子类。

简单工厂方法就是所有的产品都交给一个工厂来处理，而工厂方法是交给多个工厂。

为什么要工厂方法模式？

假设我们正在开发一个支付系统，支持多种支付方式（如支付宝、微信支付、银行卡支付等）。在没有工厂方法模式的情况下，代码可能是这样的：

java 复制代码 
// 支付接口
interface Payment {
    void pay(double amount);
}

// 支付宝支付
class Alipay implements Payment {
    @Override
    public void pay(double amount) {
        System.out.println("使用支付宝支付: " + amount + " 元");
    }
}

// 微信支付
class WechatPay implements Payment {
    @Override
    public void pay(double amount) {
        System.out.println("使用微信支付: " + amount + " 元");
    }
}

// 银行卡支付
class BankCardPay implements Payment {
    @Override
    public void pay(double amount) {
        System.out.println("使用银行卡支付: " + amount + " 元");
    }
}

// 客户端代码
public class PaymentSystem {
    public static void main(String[] args) {
        String paymentType = "alipay"; // 假设从配置或用户输入中获取支付方式
        Payment payment = null;

        if (paymentType.equals("alipay")) {
            payment = new Alipay();
        } else if (paymentType.equals("wechatpay")) {
            payment = new WechatPay();
        } else if (paymentType.equals("bankcard")) {
            payment = new BankCardPay();
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("不支持的支付方式");
        }

        payment.pay(100.0); // 执行支付
    }
}

问题分析

  1. 代码耦合性高 ：
    • 客户端代码（PaymentSystem）直接依赖具体的支付实现类（如 Alipay、WechatPay 等）。
    • 如果需要新增一种支付方式（如 ApplePay），必须修改客户端代码，增加新的 if-else 分支。
  2. 违反开闭原则 ：
    • 开闭原则（Open/Closed Principle）要求软件实体应对扩展开放，对修改关闭。
    • 在当前实现中，每次新增支付方式都需要修改客户端代码，而不是通过扩展来实现。
  3. 代码重复 ：
    • 如果在多个地方需要创建支付对象，相同的 if-else 逻辑会重复出现，导致代码冗余。
  4. 难以测试 ：
    • 客户端代码与具体支付实现类耦合，难以进行单元测试（例如，无法轻松模拟支付对象）。

如何实现工厂方法模式

主要角色

  1. 抽象产品（Product）：定义产品的接口。
  2. 具体产品（Concrete Product）：实现抽象产品接口的具体类。
  3. 抽象工厂（Creator）：声明工厂方法，返回一个产品对象。
  4. 具体工厂（Concrete Creator）：实现工厂方法，返回具体产品的实例。

【案例】支付方式 - 改

抽象产品（Product） ：支付方式，Payment类。

java 复制代码 
// 支付接口
interface Payment {
    void pay(double amount);
}

具体产品（Concrete Product） : 支付宝支付（Alipay类）、微信支付(WechatPay类)、银行卡支付(BankCardPay类)。

java 复制代码 
// 支付宝支付
class Alipay implements Payment {
    @Override
    public void pay(double amount) {
        System.out.println("使用支付宝支付: " + amount + " 元");
    }
}

// 微信支付
class WechatPay implements Payment {
    @Override
    public void pay(double amount) {
        System.out.println("使用微信支付: " + amount + " 元");
    }
}

// 银行卡支付
class BankCardPay implements Payment {
    @Override
    public void pay(double amount) {
        System.out.println("使用银行卡支付: " + amount + " 元");
    }
}

抽象工厂（Creator） : 支付工厂，PaymentFactory类。

java 复制代码 
interface PaymentFactory {
    Payment createPayment();
}

具体工厂（Concrete Creator） ：AlipayFactory、WechatPayFactory、BankCardPayFactory类

java 复制代码 
// 支付宝支付工厂
class AlipayFactory implements PaymentFactory {
    @Override
    public Payment createPayment() {
        return new Alipay();
    }
}

// 微信支付工厂
class WechatPayFactory implements PaymentFactory {
    @Override
    public Payment createPayment() {
        return new WechatPay();
    }
}

// 银行卡支付工厂
class BankCardPayFactory implements PaymentFactory {
    @Override
    public Payment createPayment() {
        return new BankCardPay();
    }
}

客户端调用

java 复制代码 
public class PaymentSystem {
    // 支付方式与工厂类的映射
    private static final Map<String, PaymentFactory> paymentFactories = new HashMap<>();

    static {
        // 初始化映射关系
        paymentFactories.put("alipay", new AlipayFactory());
        paymentFactories.put("wechatpay", new WechatPayFactory());
        paymentFactories.put("bankcard", new BankCardPayFactory());
    }

    // 获取支付对象
    public static Payment getPayment(String paymentType) {
        PaymentFactory factory = paymentFactories.get(paymentType);
        if (factory == null) {
            throw new IllegalArgumentException("不支持的支付方式: " + paymentType);
        }
        return factory.createPayment();
    }

    public static void main(String[] args) {
        String paymentType = "alipay"; // 假设从配置或用户输入中获取支付方式

        // 获取支付对象并执行支付
        Payment payment = getPayment(paymentType);
        payment.pay(100.0);
    }
}

二、工厂方法模式在框架源码中的运用

Java 集合框架中的工厂方法模式

Java 集合框架中的 Collections 工具类提供了多个静态工厂方法，用于创建不可变集合、同步集合等。
示例：Collections.unmodifiableList()
Collections.unmodifiableList() 是一个工厂方法，用于创建不可修改的列表。

java 复制代码 
public class Collections {
    public static <T> List<T> unmodifiableList(List<? extends T> list) {
        return new UnmodifiableList<>(list);
    }

    private static class UnmodifiableList<E> extends UnmodifiableCollection<E>
            implements List<E> {
        // 具体实现...
    }
}
  • 工厂方法：unmodifiableList() 是工厂方法，负责创建 UnmodifiableList 对象。
  • 客户端：客户端通过调用 unmodifiableList() 方法获取不可修改的列表，而无需关心具体的实现类。
java 复制代码 
List<String> originalList = new ArrayList<>();
originalList.add("A");
originalList.add("B");

List<String> unmodifiableList = Collections.unmodifiableList(originalList);
// unmodifiableList.add("C"); // 抛出 UnsupportedOperationException
  • 解耦：客户端不需要知道 UnmodifiableList 的具体实现，只需要通过工厂方法获取对象。
  • 安全性：工厂方法返回的对象是不可修改的，保证了数据的安全性。

Spring 框架中的工厂方法模式

Spring 框架广泛使用工厂方法模式来创建和管理 Bean 对象。Spring 的 BeanFactory 和 ApplicationContext 是典型的工厂方法模式的实现。
示例：BeanFactory

BeanFactory 是 Spring 的核心接口，负责创建和管理 Bean 对象。它定义了工厂方法 getBean()，用于获取 Bean 实例。

java 复制代码 
public interface BeanFactory {
    Object getBean(String name) throws BeansException;
    <T> T getBean(String name, Class<T> requiredType) throws BeansException;
    // 其他方法...
}
  • 工厂方法 ：getBean() 是工厂方法，负责根据名称或类型创建并返回 Bean 对象。
  • 具体工厂 ：Spring 提供了多个 BeanFactory 的实现类，例如 DefaultListableBeanFactory。
  • 客户端 ：Spring 容器（如 ApplicationContext）通过调用 getBean() 方法来获取 Bean 对象。
java 复制代码 
ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext("applicationContext.xml");
MyService myService = context.getBean("myService", MyService.class);
myService.doSomething();
  • 解耦 ：客户端代码（如 MyService）不需要知道具体的 Bean 创建逻辑，只需要通过 getBean() 方法获取对象。
  • 灵活性：Spring 可以通过配置文件或注解动态决定创建哪个 Bean 对象。

三、总结

工厂方法模式的优点

  1. 解耦
    • 工厂方法模式将对象的创建与使用分离，客户端代码只需要依赖抽象的工厂接口和产品接口，而不需要关心具体的实现类。
    • 例如，在 Spring 框架中，客户端通过 BeanFactory 获取 Bean 对象，而不需要知道具体的 Bean 实现类。
  2. 符合开闭原则
    • 当需要新增一种产品时，只需新增一个具体工厂类和具体产品类，而无需修改现有代码。
    • 例如，在支付系统中，新增一种支付方式（如 ApplePay）时，只需新增 ApplePayFactory 和 ApplePay 类，而不需要修改客户端代码。
  3. 可扩展性
    • 工厂方法模式支持动态扩展，可以通过配置文件、依赖注入等方式动态决定使用哪个具体工厂类。
    • 例如，在 JDBC 中，可以通过配置文件动态切换数据库驱动。
  4. 代码复用
    • 工厂类的逻辑可以复用在多个地方，避免了重复的创建逻辑。
    • 例如，在 Log4j 中，Logger.getLogger() 方法可以在多个地方复用，而不需要重复编写日志记录器的创建逻辑。
  5. 易于测试
    • 客户端代码依赖于抽象的工厂接口和产品接口，可以通过模拟工厂类来测试客户端代码，而不需要依赖具体的实现类。

工厂方法模式的缺点

  1. 类的数量增加
    • 每新增一种产品，就需要新增一个具体工厂类和具体产品类，导致类的数量增加，系统复杂度提高。
    • 例如，在支付系统中，如果有 10 种支付方式，就需要 10 个具体工厂类和 10 个具体产品类。
  2. 增加了系统抽象性
    • 工厂方法模式引入了抽象的工厂接口和产品接口，增加了系统的抽象性，可能会使代码更难理解。
    • 例如，对于初学者来说，理解 Spring 的 BeanFactory 和 ApplicationContext 可能需要一定的学习成本。
  3. 不适合简单场景
    • 如果对象的创建逻辑非常简单，使用工厂方法模式可能会显得过于复杂，增加不必要的代码量。
    • 例如，如果只需要创建一个简单的对象，直接使用 new 关键字可能更合适。

工厂方法模式的适用场景

  1. 需要动态创建对象
    • 当对象的创建逻辑需要根据运行时条件动态决定时，工厂方法模式非常适用。
    • 例如，在支付系统中，根据用户选择的支付方式动态创建支付对象。
  2. 需要解耦对象的创建与使用
    • 当客户端代码不需要关心具体对象的创建逻辑时，可以使用工厂方法模式将对象的创建过程封装起来。
    • 例如，在 Spring 框架中，客户端通过 BeanFactory 获取 Bean 对象，而不需要知道具体的 Bean 实现类。
  3. 需要支持多种产品类型
    • 当系统需要支持多种产品类型，并且这些产品有共同的接口时，可以使用工厂方法模式。
    • 例如，在日志框架中，支持多种日志实现（如文件日志、控制台日志等）。
  4. 需要符合开闭原则
    • 当系统需要频繁扩展新的产品类型，并且希望在不修改现有代码的情况下实现扩展时，可以使用工厂方法模式。
    • 例如，在 GUI 库中，支持新增一种控件类型（如按钮、文本框等）。
  5. 需要集中管理对象的创建逻辑
    • 当对象的创建逻辑比较复杂，或者需要在多个地方复用时，可以使用工厂方法模式将创建逻辑集中管理。
    • 例如，在 JDBC 中，通过 DriverManager.getConnection() 集中管理数据库连接的创建逻辑。
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