工厂设计模式

工厂方法

工厂方法即Factory Method,是一种对象创建型模式。

工厂方法的目的是使得创建对象和使用对象是分离的,并且客户端总是引用抽象工厂和抽象产品:

┌─────────────┐      ┌─────────────┐
│   Product   │      │   Factory   │
└─────────────┘      └─────────────┘
       ▲                    ▲
       │                    │
┌─────────────┐      ┌─────────────┐
│ ProductImpl │<─ ─ ─│ FactoryImpl │
└─────────────┘      └─────────────┘

例如实现一个解析字符串到NumberFactory,可以定义如下:

public class NumberFactoryImpl implements NumberFactory {
    public Number parse(String s) {
        return new BigDecimal(s);
    }
}

而产品接口是NumberNumberFactoryImpl返回的实际产品是BigDecimal

那么客户端如何创建NumberFactoryImpl呢?通常我们会在接口Factory中定义一个静态方法getFactory()来返回真正的子类:

public interface NumberFactory {
    // 创建方法:
    Number parse(String s);
    // 获取工厂实例:
    static NumberFactory getFactory() {
        return impl;
    }
    static NumberFactory impl = new NumberFactoryImpl();
}

在客户端中,我们只需要和工厂接口NumberFactory以及抽象产品Number打交道:

NumberFactory factory = NumberFactory.getFactory();
Number result = factory.parse("123.456");

调用方可以完全忽略真正的工厂NumberFactoryImpl和实际的产品BigDecimal,这样做的好处是允许创建产品的代码独立地变换,而不会影响到调用方。

实际上大多数情况下我们并不需要抽象工厂,而是通过静态方法直接返回产品,即:

public class NumberFactory {
    public static Number parse(String s) {
        return new BigDecimal(s);
    }
}

这种简化的使用静态方法创建产品的方式称为静态工厂方法(Static Factory Method)。静态工厂方法广泛地应用在Java标准库中。例如:

Integer n = Integer.valueOf(100);

Integer既是产品又是静态工厂。它提供了静态方法valueOf()来创建Integer。那么这种方式和直接写new Integer(100)有何区别呢?我们观察valueOf()方法:

public final class Integer {
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }
    ...
}

它的好处在于,valueOf()内部可能会使用new创建一个新的Integer实例,但也可能直接返回一个缓存的Integer实例。对于调用方来说,没必要知道Integer创建的细节。

工厂方法可以隐藏创建产品的细节,且不一定每次都会真正创建产品,完全可以返回缓存的产品,从而提升速度并减少内存消耗。

如果调用方直接使用Integer n = new Integer(100),那么就失去了使用缓存优化的可能性。

我们经常使用的另一个静态工厂方法是List.of()

List<String> list = List.of("A", "B", "C");

这个静态工厂方法接收可变参数,然后返回List接口。需要注意的是,调用方获取的产品总是List接口,而且并不关心它的实际类型。即使调用方知道List产品的实际类型是java.util.ImmutableCollections$ListN,也不要去强制转型为子类,因为静态工厂方法List.of()保证返回List,但也完全可以修改为返回java.util.ArrayList。这就是里氏替换原则:返回实现接口的任意子类都可以满足该方法的要求,且不影响调用方。

总是引用接口而非实现类,能允许变换子类而不影响调用方,即尽可能面向抽象编程。

List.of()类似,我们使用MessageDigest时,为了创建某个摘要算法,总是使用静态工厂方法getInstance(String)

MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA-1");

调用方通过产品名称获得产品实例,不但调用简单,而且获得的引用仍然是MessageDigest这个抽象类。

抽象工厂

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。

抽象工厂模式(Abstract Factory)是一个比较复杂的创建型模式。

抽象工厂模式和工厂方法不太一样,它要解决的问题比较复杂,不但工厂是抽象的,产品是抽象的,而且有多个产品需要创建,因此,这个抽象工厂会对应到多个实际工厂,每个实际工厂负责创建多个实际产品:

                                ┌────────┐
                             ─ >│ProductA│
┌────────┐    ┌─────────┐   │   └────────┘
│ Client │─ ─>│ Factory │─ ─
└────────┘    └─────────┘   │   ┌────────┐
                   ▲         ─ >│ProductB│
           ┌───────┴───────┐    └────────┘
           │               │
      ┌─────────┐     ┌─────────┐
      │Factory1 │     │Factory2 │
      └─────────┘     └─────────┘
           │   ┌─────────┐ │   ┌─────────┐
            ─ >│ProductA1│  ─ >│ProductA2│
           │   └─────────┘ │   └─────────┘
               ┌─────────┐     ┌─────────┐
           └ ─>│ProductB1│ └ ─>│ProductB2│
               └─────────┘     └─────────┘

这种模式有点类似于多个供应商负责提供一系列类型的产品。我们举个例子:

假设我们希望为用户提供一个Markdown文本转换为HTML和Word的服务,它的接口定义如下:

public interface AbstractFactory {
    // 创建Html文档:
    HtmlDocument createHtml(String md);
    // 创建Word文档:
    WordDocument createWord(String md);
}

注意到上面的抽象工厂仅仅是一个接口,没有任何代码。同样的,因为HtmlDocumentWordDocument都比较复杂,现在我们并不知道如何实现它们,所以只有接口:

// Html文档接口:
public interface HtmlDocument {
    String toHtml();
    void save(Path path) throws IOException;
}

// Word文档接口:
public interface WordDocument {
    void save(Path path) throws IOException;
}

这样,我们就定义好了抽象工厂(AbstractFactory)以及两个抽象产品(HtmlDocumentWordDocument)。因为实现它们比较困难,我们决定让供应商来完成。

现在市场上有两家供应商:FastDoc Soft的产品便宜,并且转换速度快,而GoodDoc Soft的产品贵,但转换效果好。我们决定同时使用这两家供应商的产品,以便给免费用户和付费用户提供不同的服务。

我们先看看FastDoc Soft的产品是如何实现的。首先,FastDoc Soft必须要有实际的产品,即FastHtmlDocumentFastWordDocument

public class FastHtmlDocument implements HtmlDocument {
    public String toHtml() {
        ...
    }
    public void save(Path path) throws IOException {
        ...
    }
}

public class FastWordDocument implements WordDocument {
    public void save(Path path) throws IOException {
        ...
    }
}

然后,FastDoc Soft必须提供一个实际的工厂来生产这两种产品,即FastFactory

public class FastFactory implements AbstractFactory {
    public HtmlDocument createHtml(String md) {
        return new FastHtmlDocument(md);
    }
    public WordDocument createWord(String md) {
        return new FastWordDocument(md);
    }
}

这样,我们就可以使用FastDoc Soft的服务了。客户端编写代码如下:

// 创建AbstractFactory,实际类型是FastFactory:
AbstractFactory factory = new FastFactory();
// 生成Html文档:
HtmlDocument html = factory.createHtml("#Hello\nHello, world!");
html.save(Paths.get(".", "fast.html"));
// 生成Word文档:
WordDocument word = fastFactory.createWord("#Hello\nHello, world!");
word.save(Paths.get(".", "fast.doc"));

如果我们要同时使用GoodDoc Soft的服务怎么办?因为用了抽象工厂模式,GoodDoc Soft只需要根据我们定义的抽象工厂和抽象产品接口,实现自己的实际工厂和实际产品即可:

// 实际工厂:
public class GoodFactory implements AbstractFactory {
    public HtmlDocument createHtml(String md) {
        return new GoodHtmlDocument(md);
    }
    public WordDocument createWord(String md) {
        return new GoodWordDocument(md);
    }
}

// 实际产品:
public class GoodHtmlDocument implements HtmlDocument {
    ...
}

public class GoodWordDocument implements HtmlDocument {
    ...
}

客户端要使用GoodDoc Soft的服务,只需要把原来的new FastFactory()切换为new GoodFactory()即可。

注意到客户端代码除了通过new创建了FastFactoryGoodFactory外,其余代码只引用了产品接口,并未引用任何实际产品(例如,FastHtmlDocument),如果把创建工厂的代码放到AbstractFactory中,就可以连实际工厂也屏蔽了:

public interface AbstractFactory {
    public static AbstractFactory createFactory(String name) {
        if (name.equalsIgnoreCase("fast")) {
            return new FastFactory();
        } else if (name.equalsIgnoreCase("good")) {
            return new GoodFactory();
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid factory name");
        }
    }
}

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