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工厂方法模式(详解版)

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在现实生活中社会分工越来越细,越来越专业化。各种产品有专门的工厂生产,彻底告别了自给自足的小农经济时代,这大大缩短了产品的生产周期,提高了生产效率。同样,在软件开发中能否做到软件对象的生产和使用相分离呢?能否在满足“开闭原则”的前提下,客户随意增删或改变对软件相关对象的使用呢?这就是本节要讨论的问题。

模式的定义与特点

工厂方法(FactoryMethod)模式的定义:定义一个创建产品对象的工厂接口,将产品对象的实际创建工作推迟到具体子工厂类当中。这满足创建型模式中所要求的“创建与使用相分离”的特点。

我们把被创建的对象称为“产品”,把创建产品的对象称为“工厂”。如果要创建的产品不多,只要一个工厂类就可以完成,这种模式叫“简单工厂模式”,它不属于 GoF 的 23 种经典设计模式,它的缺点是增加新产品时会违背“开闭原则”。

本节介绍的“工厂方法模式”是对简单工厂模式的进一步抽象化,其好处是可以使系统在不修改原来代码的情况下引进新的产品,即满足开闭原则。

工厂方法模式的主要优点有:
  • 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品,无须知道产品的具体创建过程;
  • 在系统增加新的产品时只需要添加具体产品类和对应的具体工厂类,无须对原工厂进行任何修改,满足开闭原则;

其缺点是:每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类,这增加了系统的复杂度。

模式的结构与实现

工厂方法模式由抽象工厂、具体工厂、抽象产品和具体产品等4个要素构成。本节来分析其基本结构和实现方法。

1. 模式的结构

工厂方法模式的主要角色如下。
  1. 抽象工厂(Abstract Factory):提供了创建产品的接口,调用者通过它访问具体工厂的工厂方法 newProduct() 来创建产品。
  2. 具体工厂(ConcreteFactory):主要是实现抽象工厂中的抽象方法,完成具体产品的创建。
  3. 抽象产品(Product):定义了产品的规范,描述了产品的主要特性和功能。
  4. 具体产品(ConcreteProduct):实现了抽象产品角色所定义的接口,由具体工厂来创建,它同具体工厂之间一一对应。

其结构图如图 1 所示。

工厂方法模式的结构图
图1 工厂方法模式的结构图

2. 模式的实现

根据图 1 写出该模式的代码如下:
package FactoryMethod;
public class AbstractFactoryTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        try
        {
            Product a;
            AbstractFactory af;
            af=(AbstractFactory) ReadXML1.getObject();
            a=af.newProduct();
            a.show();
        }
        catch(Exception e)
        {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}
//抽象产品:提供了产品的接口
interface Product
{
    public void show();
}
//具体产品1:实现抽象产品中的抽象方法
class ConcreteProduct1 implements Product
{
    public void show()
    {
        System.out.println("具体产品1显示...");
    }
}
//具体产品2:实现抽象产品中的抽象方法
class ConcreteProduct2 implements Product
{
    public void show()
    {
        System.out.println("具体产品2显示...");
    }
}
//抽象工厂:提供了厂品的生成方法
interface AbstractFactory
{
    public Product newProduct();
}
//具体工厂1:实现了厂品的生成方法
class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory
{
    public Product newProduct()
    {
        System.out.println("具体工厂1生成-->具体产品1...");
        return new ConcreteProduct1();
    }
}
//具体工厂2:实现了厂品的生成方法
class ConcreteFactory2 implements AbstractFactory
{
    public Product newProduct()
    {
        System.out.println("具体工厂2生成-->具体产品2...");
        return new ConcreteProduct2();
    }
}
package FactoryMethod;
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import java.io.*;
class ReadXML1
{
    //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 getObject()
    {
        try
        {
            //创建文档对象
            DocumentBuilderFactory dFactory=DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder=dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;                           
            doc=builder.parse(new File("src/FactoryMethod/config1.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="FactoryMethod."+classNode.getNodeValue();
            //System.out.println("新类名:"+cName);
            //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;
         }
    }
}

注意:该程序中用到了 XML 文件,如果想要获取该文件,请点击“下载”,就可以对其进行下载。

程序运行结果如下:
具体工厂1生成-->具体产品1...
具体产品1显示...

如果将 XML 配置文件中的 ConcreteFactory1 改为 ConcreteFactory2,则程序运行结果如下:
具体工厂2生成-->具体产品2...
具体产品2显示...

模式的应用实例

【例1】用工厂方法模式设计畜牧场。

分析:有很多种类的畜牧场,如养马场用于养马,养牛场用于养牛,所以该实例用工厂方法模式比较适合。

对养马场和养牛场等具体工厂类,只要定义一个生成动物的方法 newAnimal() 即可。由于要显示马类和牛类等具体产品类的图像,所以它们的构造函数中用到了 JPanel、JLabd 和 ImageIcon 等组件,并定义一个 show() 方法来显示它们。

客户端程序通过对象生成器类 ReadXML2 读取 XML 配置文件中的数据来决定养马还是养牛。其结构图如图 2 所示。

畜牧场结构图
图2 畜牧场结构图

注意:该程序中用到了 XML 文件,并且要显示马类和牛类等具体产品类的图像,如果想要获取 HTML 文件和图片,请点击“下载”,就可以对其进行下载。

程序代码如下:
package FactoryMethod;
import java.awt.*;
import javax.swing.*;
public class AnimalFarmTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        try
        {
            Animal a;
            AnimalFarm af;
            af=(AnimalFarm) ReadXML2.getObject();
            a=af.newAnimal();
            a.show();
        }
        catch(Exception e)
        {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}
//抽象产品:动物类
interface Animal
{
    public void show();
}
//具体产品:马类
class Horse implements Animal
{
    JScrollPane sp;
    JFrame jf=new JFrame("工厂方法模式测试");
    public Horse()
    {
        Container contentPane=jf.getContentPane();
        JPanel p1=new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1,1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("动物:马"));
        sp=new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1=new JLabel(new ImageIcon("src/A_Horse.jpg"));
        p1.add(l1);       
        jf.pack();       
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);    //用户点击窗口关闭 
    }
    public void show()
    {
        jf.setVisible(true);
    }
}
//具体产品:牛类
class Cattle implements Animal
{
    JScrollPane sp;
    JFrame jf=new JFrame("工厂方法模式测试");
    public Cattle()
    {
        Container contentPane=jf.getContentPane();
        JPanel p1=new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1,1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("动物:牛"));
        sp=new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp,BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1=new JLabel(new ImageIcon("src/A_Cattle.jpg"));
        p1.add(l1);       
        jf.pack();       
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);    //用户点击窗口关闭 
    }
    public void show()
    {
        jf.setVisible(true);
    }
}
//抽象工厂:畜牧场
interface AnimalFarm
{
    public Animal newAnimal();
}
//具体工厂:养马场
class HorseFarm implements AnimalFarm
{
    public Animal newAnimal()
    {
        System.out.println("新马出生!");
        return new Horse();
    }
}
//具体工厂:养牛场
class CattleFarm implements AnimalFarm
{
    public Animal newAnimal()
    {
        System.out.println("新牛出生!");
        return new Cattle();
    }
}
package FactoryMethod;
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import java.io.*;
class ReadXML2
{
    public static Object getObject()
    {
        try
        {
            DocumentBuilderFactory dFactory=DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder=dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;                           
            doc=builder.parse(new File("src/FactoryMethod/config2.xml"));
            NodeList nl=doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();
            String cName="FactoryMethod."+classNode.getNodeValue();
            System.out.println("新类名:"+cName);
            Class<?> c=Class.forName(cName);
              Object obj=c.newInstance();
            return obj;
        }  
        catch(Exception e)
        {
               e.printStackTrace();
               return null;
        }
    }
}

程序的运行结果如图 3 所示。

畜牧场养殖的运行结果
图3 畜牧场养殖的运行结果

模式的应用场景

工厂方法模式通常适用于以下场景。
  • 客户只知道创建产品的工厂名,而不知道具体的产品名。如 TCL 电视工厂、海信电视工厂等。
  • 创建对象的任务由多个具体子工厂中的某一个完成,而抽象工厂只提供创建产品的接口。
  • 客户不关心创建产品的细节,只关心产品的品牌。

模式的扩展

当需要生成的产品不多且不会增加,一个具体工厂类就可以完成任务时,可删除抽象工厂类。这时工厂方法模式将退化到简单工厂模式,其结构图如图 4 所示。

简单工厂模式的结构图
图4 简单工厂模式的结构图
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