设计模式之三—工厂模式：灵活对象创建的艺术

1. 工厂模式概述

工厂模式是一种创建型设计模式 ，它提供了一种封装对象实例化过程的方法。在软件开发中，我们经常需要创建对象，但直接使用new操作符会导致代码耦合度增高，维护成本加大。工厂模式通过定义一个创建对象的接口，但让子类决定实例化哪个类，从而解决了这个问题。

工厂模式的核心思想是将对象的创建与使用分离，客户端不需要知道具体产品的类名，只需要知道对应的工厂即可。这种解耦使得代码更加灵活，易于扩展和维护。

工厂模式主要分为三种类型：简单工厂模式 、工厂方法模式 和抽象工厂模式。这三种模式从上到下逐步抽象，应用场景也逐渐复杂。

2. 简单工厂模式

简单工厂模式是最基础的工厂模式，它通过一个工厂类负责创建多种类型的对象。该模式中，工厂类根据传入的参数不同返回不同的产品实例。

2.1 结构与实现

简单工厂模式包含三个核心角色：

工厂类：负责创建所有类型的产品实例
抽象产品接口：定义产品的公共方法
具体产品类：实现抽象产品接口的具体类

以下是一个汽车生产的简单工厂模式示例：

复制代码

// 抽象产品接口
public interface ICar {
    public void name();
}

// 具体产品类
public class Xiaopeng implements ICar {
    @Override
    public void name() {
        System.out.println("小鹏汽车创建完成！");
    }
}

public class Weilai implements ICar {
    @Override
    public void name() {
        System.out.println("蔚来汽车创建完成！");
    }
}

// 简单工厂类
public class CarFactory {
    public static ICar createCar(String car) {
        if (car.equals("小鹏")) {
            return new Xiaopeng();
        } else if (car.equals("蔚来")) {
            return new Weilai();
        } else {
            return null;
        }
    }
}

// 客户端使用
public class Consumer {
    public static void main(String[] args) {
        ICar car0 = CarFactory.createCar("小鹏");
        ICar car1 = CarFactory.createCar("蔚来");
        car0.name();
        car1.name();
    }
}

2.2 优缺点分析

优点：

代码结构简单，易于理解和实现
客户端与具体产品类解耦

缺点：

违反开闭原则：当需要添加新产品时，必须修改工厂类的代码
工厂类职责过重，产品过多时会导致工厂类复杂臃肿

简单工厂模式适用于产品种类较少且不太可能频繁变化的场景。

3. 工厂方法模式

工厂方法模式是针对简单工厂模式缺点的改进，它定义了一个创建对象的抽象方法，由子类决定要实例化的类。这样，系统的扩展性得到了大大提高。

3.1 结构与实现

工厂方法模式包含四个核心角色：

抽象工厂：声明工厂方法，返回产品对象
具体工厂：实现工厂方法，创建具体产品
抽象产品：定义产品接口
具体产品：实现抽象产品接口

以下是工厂方法模式的实现示例：

复制代码

// 抽象产品接口
public interface ICar {
    public void name();
}

// 具体产品类
public class Xiaopeng implements ICar {
    @Override
    public void name() {
        System.out.println("小鹏汽车创建完成！");
    }
}

// 抽象工厂类
public abstract class CarFactory {
    public abstract ICar createCar();
}

// 具体工厂类
public class XiaopengFactory extends CarFactory {
    @Override
    public ICar createCar() {
        return new Xiaopeng();
    }
}

// 客户端使用
public class Consumer {
    public static void main(String[] args) {
        CarFactory factory = new XiaopengFactory();
        ICar car = factory.createCar();
        car.name();
    }
}

3.2 优缺点分析

优点：

符合开闭原则：增加新产品时只需添加新工厂类，无需修改已有代码
符合单一职责原则：每个工厂只负责创建一种产品

缺点：

类的数量增多，增加系统复杂性
增加了系统的抽象性和理解难度

工厂方法模式适用于产品结构复杂且可能需要频繁扩展的场景。

4. 抽象工厂模式

抽象工厂模式是工厂方法模式的进一步推广，它提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。

4.1 结构与实现

抽象工厂模式包含以下角色：

抽象工厂：声明创建一系列产品的方法
具体工厂：实现抽象工厂接口，创建具体产品族
抽象产品：定义产品接口
具体产品：实现抽象产品接口

以下是一个电子产品生产的抽象工厂模式示例：

复制代码

// 抽象产品接口
public interface IPhone {
    void start();
    void shutdown();
}

public interface IRouter {
    void openWifi();
    void setting();
}

// 具体产品类
public class HuaweiPhone implements IPhone {
    @Override
    public void start() { System.out.println("华为手机开机"); }
    
    @Override
    public void shutdown() { System.out.println("华为手机关机"); }
}

public class HuaweiRouter implements IRouter {
    @Override
    public void openWifi() { System.out.println("华为路由器打开WiFi"); }
    
    @Override
    public void setting() { System.out.println("华为路由器设置"); }
}

// 抽象工厂
public interface IProductFactory {
    IPhone createPhone();
    IRouter createRouter();
}

// 具体工厂
public class HuaweiFactory implements IProductFactory {
    @Override
    public IPhone createPhone() {
        return new HuaweiPhone();
    }
    
    @Override
    public IRouter createRouter() {
        return new HuaweiRouter();
    }
}

// 客户端使用
public class Consumer {
    public static void main(String[] args) {
        HuaweiFactory factory = new HuaweiFactory();
        IPhone phone = factory.createPhone();
        IRouter router = factory.createRouter();
        phone.start();
        router.openWifi();
    }
}

4.2 优缺点分析

优点：

保证产品族内产品的兼容性
符合开闭原则（增加产品族时）
符合单一职责原则

缺点：

产品族扩展困难（需要修改所有工厂类）
增加了系统的抽象性和理解难度

抽象工厂模式适用于需要创建相关或依赖对象族的系统。

5. 三种工厂模式对比

为了更清晰地理解三种工厂模式的差异，以下是它们的对比表格：

特性	简单工厂模式	工厂方法模式	抽象工厂模式
复杂度	低	中	高
开闭原则支持	违反	支持	支持（产品族）
产品数量	可创建多种产品	一个工厂创建一种产品	一个工厂创建一族产品
适用场景	产品种类少且稳定	产品种类多且可能扩展	产品族多且需要兼容性
类数量	少	多	最多

表：三种工厂模式特性对比

从结构复杂度来看，简单工厂模式最简单，抽象工厂模式最复杂。从扩展性来看，工厂方法模式和抽象工厂模式都支持开闭原则，但抽象工厂模式在产品族扩展上较为困难。

6. 工厂模式的应用场景

工厂模式在以下场景中特别有用：

对象创建过程复杂：当对象的创建需要一系列复杂步骤或依赖多个辅助对象时，使用工厂模式可以封装这些复杂性。
需要减少耦合：当希望将对象创建与使用解耦时，工厂模式提供了一个优雅的解决方案。
系统需要支持多种产品变体：当系统需要支持不同系列的相关产品时，抽象工厂模式特别有用。
动态选择实现：当需要在运行时根据条件选择不同的产品实现时，工厂模式提供了灵活性。
框架设计：在框架设计中，工厂模式允许框架定义接口，而将具体实现留给用户。

7. 工厂模式在框架中的应用

工厂模式在主流框架中有着广泛的应用：

7.1 Spring框架

Spring框架使用工厂模式管理对象的创建和生命周期。其中，BeanFactory和ApplicationContext是工厂模式的典型实现。

复制代码

// Spring中的BeanFactory是工厂模式的体现
ApplicationContext context = new ClassPathXmlApplicationContext("beans.xml");
MyService service = context.getBean(MyService.class);

7.2 Hibernate框架

Hibernate中的SessionFactory是工厂模式的实现，它负责创建Session对象，而Session是数据库交互的主要接口。

7.3 Java集合框架

Java集合框架中的Collections类提供了多种静态工厂方法，如unmodifiableList()、synchronizedList()等，这些方法返回特定功能的集合对象。

8. 最佳实践与注意事项

在使用工厂模式时，需要注意以下几点：

避免过度设计：如果对象创建逻辑简单，直接使用构造函数可能更合适，不要为了使用模式而使用模式。
结合依赖注入：在现代框架中，工厂模式常与依赖注入结合使用，进一步提高灵活性和可测试性。
考虑使用静态工厂方法：在简单场景下，静态工厂方法比单独创建工厂类更简洁。
注意性能开销：工厂模式会引入额外的间接层，在性能敏感的场景需要权衡。
合理选择工厂类型：根据具体需求选择合适的工厂模式变体，不要盲目选择最复杂的方案。

结论

工厂模式是面向对象设计中极其重要的创建型模式，它通过将对象的创建与使用分离，提高了代码的灵活性、可维护性和可扩展性。三种工厂模式各有适用场景：简单工厂模式适用于简单场景，工厂方法模式适用于需要扩展性的场景，而抽象工厂模式适用于产品族创建的复杂场景。

在实际开发中，我们需要根据具体需求选择合适的工厂模式变体，避免过度设计，同时也要注意工厂模式可能带来的复杂性增加。当正确应用时，工厂模式能够显著提高软件的质量和可维护性。

工厂模式体现了依赖倒置原则，是面向对象设计原则的具体实现。通过深入理解和合理应用工厂模式，开发者可以编写出更加灵活、可扩展的软件系统。