10 【创建型模式】工厂三兄弟之工厂方法模式
定义
工厂方法模式(Factory Method Pattern)：定义一个用于创建对象的接口，让子类决定将哪一个类实例化。工厂方法模式让一个类的实例化延迟到其子类。工厂方法模式又简称为工厂模式(Factory Pattern)，又可称作虚拟构造器模式(Virtual Constructor Pattern)或多态工厂模式(Polymorphic Factory Pattern)。工厂方法模式是一种类创建型模式。
解决的问题
- 简单工厂模式最大的缺点是当有新产品要加入到系统中时，必须修改工厂类，需要在其中加入必要的业务逻辑，这违背了“开闭原则”
- 在简单工厂模式中，所有的产品都由同一个工厂创建，工厂类职责较重，业务逻辑较为复杂，具体产品与工厂类之间的耦合度高，严重影响了系统的灵活性和扩展性
结构图
要素：
● Product（抽象产品）：定义产品的接口，是工厂方法模式所创建对象的超类型，即产品对象的公共父类。
● ConcreteProduct（具体产品）：实现了抽象产品接口，某种类型的具体产品由专门的具体工厂创建，具体工厂和具体产品之间一一对应。
● Factory（抽象工厂）：在抽象工厂类中，声明了工厂方法(Factory Method)，用于返回一个产品。抽象工厂是工厂方法模式的核心，所有创建对象的工厂类都必须实现该接口。
● ConcreteFactory（具体工厂）：它是抽象工厂类的子类，实现了抽象工厂中定义的工厂方法，并可由客户端调用，返回一个具体产品类的实例。
interface Factory {
public Product factoryMethod();
}
class ConcreteFactory implements Factory {
public Product factoryMethod() {
return new ConcreteProduct();
}
}
……
Factory factory;
factory = new ConcreteFactory(); //可通过配置文件实现
Product product;
product = factory.factoryMethod();
……
示例
Sunny软件公司欲开发一个系统运行日志记录器(Logger)，该记录器可以通过多种途径保存系统的运行日志，如通过文件记录或数据库记录，用户可以通过修改配置文件灵活地更换日志记录方式。在设计各类日志记录器时，Sunny公司的开发人员发现需要对日志记录器进行一些初始化工作，初始化参数的设置过程较为复杂，而且某些参数的设置有严格的先后次序，否则可能会发生记录失败。如何封装记录器的初始化过程并保证多种记录器切换的灵活性是Sunny公司开发人员面临的一个难题。
//日志记录器工厂
class LoggerFactory {
//静态工厂方法
public static Logger createLogger(String args) {
if(args.equalsIgnoreCase("db")) {
//连接数据库，代码省略
//创建数据库日志记录器对象
Logger logger = new DatabaseLogger();
//初始化数据库日志记录器，代码省略
return logger;
}
else if(args.equalsIgnoreCase("file")) {
//创建日志文件
//创建文件日志记录器对象
Logger logger = new FileLogger();
//初始化文件日志记录器，代码省略
return logger;
}
else {
return null;
}
}
}
存在的问题：
(1) 工厂类过于庞大，包含了大量的if…else…代码，导致维护和测试难度增大
(2) 系统扩展不灵活，如果增加新类型的日志记录器，必须修改静态工厂方法的业务逻辑，违反了“开闭原则”
解决方案：
//日志记录器接口：抽象产品
interface Logger {
public void writeLog();
}
//数据库日志记录器：具体产品
class DatabaseLogger implements Logger {
public void writeLog() {
System.out.println("数据库日志记录。");
}
}
//文件日志记录器：具体产品
class FileLogger implements Logger {
public void writeLog() {
System.out.println("文件日志记录。");
}
}
//日志记录器工厂接口：抽象工厂
interface LoggerFactory {
public Logger createLogger();
}
//数据库日志记录器工厂类：具体工厂
class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {
public Logger createLogger() {
//连接数据库，代码省略
//创建数据库日志记录器对象
Logger logger = new DatabaseLogger();
//初始化数据库日志记录器，代码省略
return logger;
}
}
//文件日志记录器工厂类：具体工厂
class FileLoggerFactory implements LoggerFactory {
public Logger createLogger() {
//创建文件日志记录器对象
Logger logger = new FileLogger();
//创建文件，代码省略
return logger;
}
}
class Client {
public static void main(String args[]) {
LoggerFactory factory;
Logger logger;
factory = new FileLoggerFactory(); //可引入配置文件实现
logger = factory.createLogger();
logger.writeLog();
}
}
进一步解决方案：通过配置文件读取具体的工厂类
//工具类XMLUtil.java
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import org.xml.sax.SAXException;
import java.io.*;
public class XMLUtil {
//该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象
public static Object getBean() {
try {
//创建DOM文档对象
DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
Document doc;
doc = builder.parse(new File("config.xml"));
//获取包含类名的文本节点
NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");
Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();
String cName=classNode.getNodeValue();
//通过类名生成实例对象并将其返回
Class c=Class.forName(cName);
Object obj=c.newInstance();
return obj;
}
catch(Exception e) {
e.printStackTrace();
return null;
}
}
}
class Client {
public static void main(String args[]) {
LoggerFactory factory;
Logger logger;
factory = (LoggerFactory)XMLUtil.getBean(); //getBean()的返回类型为Object，需要进行强制类型转换
logger = factory.createLogger();
logger.writeLog();
}
}
需求进一步要求
Sunny公司开发人员通过进一步分析，发现可以通过多种方式来初始化日志记录器，例如可以为各种日志记录器提供默认实现；还可以为数据库日志记录器提供数据库连接字符串，为文件日志记录器提供文件路径；也可以将参数封装在一个Object类型的对象中，通过Object对象将配置参数传入工厂类。此时，可以提供一组重载的工厂方法，以不同的方式对产品对象进行创建。当然，对于同一个具体工厂而言，无论使用哪个工厂方法，创建的产品类型均要相同。
interface LoggerFactory {
public Logger createLogger();
public Logger createLogger(String args);
public Logger createLogger(Object obj);
}
class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {
public Logger createLogger() {
//使用默认方式连接数据库，代码省略
Logger logger = new DatabaseLogger();
//初始化数据库日志记录器，代码省略
return logger;
}
public Logger createLogger(String args) {
//使用参数args作为连接字符串来连接数据库，代码省略
Logger logger = new DatabaseLogger();
//初始化数据库日志记录器，代码省略
return logger;
}
public Logger createLogger(Object obj) {
//使用封装在参数obj中的连接字符串来连接数据库，代码省略
Logger logger = new DatabaseLogger();
//使用封装在参数obj中的数据来初始化数据库日志记录器，代码省略
return logger;
}
}
//其他具体工厂类代码省略
工厂方法的隐藏：直接调用业务方法
//改为抽象类
abstract class LoggerFactory {
//在工厂类中直接调用日志记录器类的业务方法writeLog()
public void writeLog() {
Logger logger = this.createLogger();
logger.writeLog();
}
public abstract Logger createLogger();
}
class Client {
public static void main(String args[]) {
LoggerFactory factory;
factory = (LoggerFactory)XMLUtil.getBean();
factory.writeLog(); //直接使用工厂对象来调用产品对象的业务方法
}
}
总结
主要优点
(1) 在工厂方法模式中，工厂方法用来创建客户所需要的产品，同时还向客户隐藏了哪种具体产品类将被实例化这一细节，用户只需要关心所需产品对应的工厂，无须关心创建细节，甚至无须知道具体产品类的类名。
(2) 基于工厂角色和产品角色的多态性设计是工厂方法模式的关键。它能够让工厂可以自主确定创建何种产品对象，而如何创建这个对象的细节则完全封装在具体工厂内部。工厂方法模式之所以又被称为多态工厂模式，就正是因为所有的具体工厂类都具有同一抽象父类。
(3) 使用工厂方法模式的另一个优点是在系统中加入新产品时，无须修改抽象工厂和抽象产品提供的接口，无须修改客户端，也无须修改其他的具体工厂和具体产品，而只要添加一个具体工厂和具体产品就可以了，这样，系统的可扩展性也就变得非常好，完全符合“开闭原则”。
主要缺点
(1) 在添加新产品时，需要编写新的具体产品类，而且还要提供与之对应的具体工厂类，系统中类的个数将成对增加，在一定程度上增加了系统的复杂度，有更多的类需要编译和运行，会给系统带来一些额外的开销。
(2) 由于考虑到系统的可扩展性，需要引入抽象层，在客户端代码中均使用抽象层进行定义，增加了系统的抽象性和理解难度，且在实现时可能需要用到DOM、反射等技术，增加了系统的实现难度。
适用场景
(1) 客户端不知道它所需要的对象的类。在工厂方法模式中，客户端不需要知道具体产品类的类名，只需要知道所对应的工厂即可，具体的产品对象由具体工厂类创建，可将具体工厂类的类名存储在配置文件或数据库中。
(2) 抽象工厂类通过其子类来指定创建哪个对象。在工厂方法模式中，对于抽象工厂类只需要提供一个创建产品的接口，而由其子类来确定具体要创建的对象，利用面向对象的多态性和里氏替换原则，在程序运行时，子类对象将覆盖父类对象，从而使得系统更容易扩展。
