【设计模式】工厂方法模式 在java中的应用

1. 引言

工厂方法模式的定义

工厂方法模式（Factory Method Pattern）是一种创建型设计模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。在工厂方法模式中，创建对象的任务被交给了一个方法，这个方法通常被称为“工厂方法”。这种模式是通过让其子类决定应该实例化哪一个类来达到将对象创建的过程封装的目的，从而使得系统在不具体指定对象的类型的情况下工作。

工厂方法模式主要解决的问题是在编程环境中，当系统需要引入新的产品时，不需要修改已有的代码，只需要添加新的代码即可，从而增强了系统的可扩展性和可维护性。这种模式非常适合那些结构中存在大量具有相同接口的类的情况。

2. 工厂方法模式的核心概念

工厂方法模式的目的和原理

工厂方法模式（Factory Method Pattern）是一种创建型设计模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。在工厂方法模式中，创建对象的任务被一个方法封装起来，而不是直接使用 new 关键字。这种模式是通过定义一个创建对象的接口来实现的，但由子类决定实例化哪一个类。工厂方法让类的实例化推迟到其子类。

工厂方法模式主要解决接口选择的问题。它达到了依赖倒置的原则，即“依赖于抽象而不依赖于具体”。使用工厂方法模式的主要目的是增加程序的灵活性和扩展性，同时隐藏具体类的实现细节，减少客户端与具体类之间的依赖。

与其他创建型模式的比较（如简单工厂和抽象工厂）

• 简单工厂模式：简单工厂模式不是一个真正的设计模式，但常被用于创建对象。在简单工厂里，一个工厂类根据传入的参数决定创建出哪一种产品类的实例。这种模式的缺点在于工厂类的职责相对过重，违背了高内聚责任分配原则，一旦需要添加新产品就不得不修改工厂逻辑，这违反了开放封闭原则。

• 抽象工厂模式：抽象工厂模式提供了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。抽象工厂模式通常用来生产产品族的产品。与工厂方法模式的主要区别在于，抽象工厂模式需要处理多个产品，这些产品一起构成了一个产品族。在抽象工厂模式中，每个工厂可以生产多种产品。

抽象工厂方法模式与简单工厂模式的区别主要在于，抽象工厂方法模式的工厂类通常有一个抽象层次，这使得在添加新产品时，只需要添加一个具体的工厂类和产品类，不需要修改已有的工厂和产品类代码，更好地符合开放封闭原则。而与抽象工厂模式相比，简单工厂方法模式在处理单一产品时更为简洁和专注。

3. Java中工厂方法模式的实现

基本的工厂方法模式结构

工厂方法模式主要涉及三个角色：

1. 抽象产品（Product）：定义了产品的接口，所有具体产品都需要实现这个接口。
2. 具体产品（Concrete Product）：实现或扩展抽象产品的接口。每个具体产品都对应一个特定的业务或处理逻辑。
3. 抽象创建者（Creator）：声明工厂方法，该方法返回一个抽象产品类型的对象。创建者类中也可以提供工厂方法的默认实现。
4. 具体创建者（Concrete Creator）：重写或实现抽象创建者中的工厂方法，以返回一个具体产品的实例。

示例代码：创建不同类型的日志记录器

在这个示例中，我们将定义一个日志记录器接口（抽象产品），具体的日志记录器（如文件日志记录器和控制台日志记录器），以及一个抽象的日志工厂，具体的日志工厂将根据需要创建相应类型的日志记录器。

// 抽象产品
public interface Logger {void log(String message);
}// 具体产品1
public class FileLogger implements Logger {@Overridepublic void log(String message) {System.out.println("Logging to a file: " + message);}
}// 具体产品2
public class ConsoleLogger implements Logger {@Overridepublic void log(String message) {System.out.println("Logging to console: " + message);}
}// 抽象创建者
public abstract class LoggerFactory {public abstract Logger createLogger();// 可以包含一些通用的逻辑public void logMessage(String message) {Logger logger = createLogger();logger.log(message);}
}// 具体创建者1
public class FileLoggerFactory extends LoggerFactory {@Overridepublic Logger createLogger() {// 可以包含创建具体产品的逻辑，例如处理与文件相关的配置return new FileLogger();}
}// 具体创建者2
public class ConsoleLoggerFactory extends LoggerFactory {@Overridepublic Logger createLogger() {return new ConsoleLogger();}
}// 使用示例
public class Demo {public static void main(String[] args) {LoggerFactory factory;Logger logger;// 使用文件日志记录器factory = new FileLoggerFactory();factory.logMessage("This is a file logger example.");// 使用控制台日志记录器factory = new ConsoleLoggerFactory();factory.logMessage("This is a console logger example.");}
}

在这个例子中，LoggerFactory 充当抽象创建者，FileLoggerFactory 和 ConsoleLoggerFactory 是具体的创建者，它们分别创建 FileLogger 和 ConsoleLogger 这两种具体产品。这样的设计允许系统在不直接依赖具体类的情况下增加或替换产品类。

4. 工厂方法模式的应用场景

适用场景说明

工厂方法模式特别适合以下几种情况：

1. 创建对象的逻辑复杂：当创建一个对象的决策需要考虑多个因素时，将这些逻辑封装在一个单独的工厂方法中可以避免代码重复，并隐藏复杂的实现细节。
2. 产品类层次结构：当产品类有多个等级结构时，工厂方法可以在不同层次中使用，每个具体工厂负责创建特定的产品对象。
3. 扩展性要求高：当系统中产品类的种类经常变化，但是客户端仍然使用相同的接口时，工厂方法模式可以很容易地新增新的具体产品类而不需要修改现有代码。
4. 解耦框架与实现：工厂方法可以在一个框架中用来封装和隔离具体实现，客户端代码可以通过工厂接口与具体实现解耦。

真实世界的应用示例

在Java标准库中，工厂方法模式的应用非常广泛。以下是一些典型的例子：

1. java.util.Calendar：Calendar.getInstance()是一个工厂方法，它根据当前的地理、政治环境返回不同的日历实现。
2. java.util.ResourceBundle：ResourceBundle.getBundle()是一个工厂方法，用于根据不同的地区返回不同的资源束，以支持国际化。
3. java.text.NumberFormat：NumberFormat.getInstance()提供了一个工厂方法，根据不同的地区返回不同的格式化对象，用于格式化数字。
4. java.nio.charset.Charset：Charset.forName(String charsetName)方法是一个工厂方法，它根据名称返回不同的字符集对象。

这些例子展示了工厂方法模式如何在Java标准库中被用来提供一个统一的接口，同时允许灵活地根据不同的条件返回不同的实例，从而使得库的使用更加灵活和方便。

5. 工厂方法模式的优点与缺点

优点分析

1. 增加系统的灵活性：工厂方法模式使得一个类的实例化延迟到其子类，因此在修改或扩展子类时不需要修改原有的代码，符合开闭原则。
2. 促进解耦：客户代码从具体类解耦，仅依赖于产品接口。这使得客户代码更加稳定，不受具体实现的变动影响，提高了系统的可维护性。
3. 扩展性强：新增一个产品类只需要添加一个具体的产品类和相应的工厂类，无需修改现有系统，易于扩展。
4. 屏蔽产品类：产品类的实现如何变化，调用者都不需要关心，它只需要关心产品的接口。这降低了系统的复杂度，提高了程序的可读性和可维护性。

缺点分析

1. 类的数量增多：每增加一个产品，相应地也需要增加一个工厂类，这会导致系统中类的个数成倍增加，增加了系统的复杂度。
2. 系统的抽象性增加：由于加入了工厂类，需要用户理解这种抽象的概念，并根据抽象来进行系统设计和编码，对初学者不够友好。
3. 代码复杂度提高：相较于直接创建实例，使用工厂方法可能会使代码更加复杂或者增加设计上的难度。

总的来说，工厂方法模式在需要保持系统的灵活性和可扩展性时非常有用，尤其是在系统中有多个类的实例需要创建时。然而，这种模式也可能导致代码更加抽象，增加学习和维护的成本。开发者在选择使用工厂方法模式时应当考虑到这些权衡。

6. 相关设计模式的探讨

工厂方法模式是创建型设计模式的一种，但了解其他相关的设计模式可以帮助开发者更全面地理解设计模式在软件开发中的应用。以下是一些与工厂方法模式相关或互补的设计模式：

1. 抽象工厂模式：与工厂方法模式类似，抽象工厂模式也用于创建一系列相关或依赖的对象。不同之处在于抽象工厂模式使用多个工厂方法来创建一系列产品，而不是只创建一种产品。

2. 建造者模式：当创建复杂对象的算法应与对象的部件及其组装方式解耦时，建造者模式非常有用。这个模式允许你逐步创建复杂对象，使用不同的方法来构建对象的不同部分。

3. 单例模式：当系统中需要确保一个类只有一个实例，并且需要一个全局访问点时，单例模式是非常有用的。虽然这不是直接创建对象的模式，但它管理创建和访问对象的方式。

4. 原型模式：当创建一个对象的成本较高，且相似对象经常被请求时，原型模式可以克隆已存在的对象而不是新建。