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工廠方法模式(詳解版)

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在現實生活中社會分工越來越細,越來越專業化。各種產品有專門的工廠生產,徹底告別了自給自足的小農經濟時代,這大大縮短了產品的生產周期,提高了生產效率。同樣,在軟件開發中能否做到軟件對象的生產和使用相分離呢?能否在滿足“開閉原則”的前提下,客戶隨意增刪或改變對軟件相關對象的使用呢?這就是本節要討論的問題。

模式的定義與特點

工廠方法(FactoryMethod)模式的定義:定義一個創建產品對象的工廠接口,將產品對象的實際創建工作推遲到具體子工廠類當中。這滿足創建型模式中所要求的“創建與使用相分離”的特點。

我們把被創建的對象稱為“產品”,把創建產品的對象稱為“工廠”。如果要創建的產品不多,只要一個工廠類就可以完成,這種模式叫“簡單工廠模式”,它不屬于 GoF 的 23 種經典設計模式,它的缺點是增加新產品時會違背“開閉原則”。

本節介紹的“工廠方法模式”是對簡單工廠模式的進一步抽象化,其好處是可以使系統在不修改原來代碼的情況下引進新的產品,即滿足開閉原則。

工廠方法模式的主要優點有:
  • 用戶只需要知道具體工廠的名稱就可得到所要的產品,無須知道產品的具體創建過程;
  • 在系統增加新的產品時只需要添加具體產品類和對應的具體工廠類,無須對原工廠進行任何修改,滿足開閉原則;

其缺點是:每增加一個產品就要增加一個具體產品類和一個對應的具體工廠類,這增加了系統的復雜度。

模式的結構與實現

工廠方法模式由抽象工廠、具體工廠、抽象產品和具體產品等4個要素構成。本節來分析其基本結構和實現方法。

1. 模式的結構

工廠方法模式的主要角色如下。
  1. 抽象工廠(Abstract Factory):提供了創建產品的接口,調用者通過它訪問具體工廠的工廠方法 newProduct() 來創建產品。
  2. 具體工廠(ConcreteFactory):主要是實現抽象工廠中的抽象方法,完成具體產品的創建。
  3. 抽象產品(Product):定義了產品的規范,描述了產品的主要特性和功能。
  4. 具體產品(ConcreteProduct):實現了抽象產品角色所定義的接口,由具體工廠來創建,它同具體工廠之間一一對應。

其結構圖如圖 1 所示。

工廠方法模式的結構圖
圖1 工廠方法模式的結構圖

2. 模式的實現

根據圖 1 寫出該模式的代碼如下:
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());
        }
    }
}
//抽象產品:提供了產品的接口
interface Product
{
    public void show();
}
//具體產品1:實現抽象產品中的抽象方法
class ConcreteProduct1 implements Product
{
    public void show()
    {
        System.out.println("具體產品1顯示...");
    }
}
//具體產品2:實現抽象產品中的抽象方法
class ConcreteProduct2 implements Product
{
    public void show()
    {
        System.out.println("具體產品2顯示...");
    }
}
//抽象工廠:提供了廠品的生成方法
interface AbstractFactory
{
    public Product newProduct();
}
//具體工廠1:實現了廠品的生成方法
class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory
{
    public Product newProduct()
    {
        System.out.println("具體工廠1生成-->具體產品1...");
        return new ConcreteProduct1();
    }
}
//具體工廠2:實現了廠品的生成方法
class ConcreteFactory2 implements AbstractFactory
{
    public Product newProduct()
    {
        System.out.println("具體工廠2生成-->具體產品2...");
        return new ConcreteProduct2();
    }
}
package FactoryMethod;
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import java.io.*;
class ReadXML1
{
    //該方法用于從XML配置文件中提取具體類類名,并返回一個實例對象
    public static Object getObject()
    {
        try
        {
            //創建文檔對象
            DocumentBuilderFactory dFactory=DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder=dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;                           
            doc=builder.parse(new File("src/FactoryMethod/config1.xml"));        
            //獲取包含類名的文本節點
            NodeList nl=doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();
            String cName="FactoryMethod."+classNode.getNodeValue();
            //System.out.println("新類名:"+cName);
            //通過類名生成實例對象并將其返回
            Class<?> c=Class.forName(cName);
              Object obj=c.newInstance();
            return obj;
         }  
         catch(Exception e)
         {
                   e.printStackTrace();
                   return null;
         }
    }
}

注意:該程序中用到了 XML 文件,如果想要獲取該文件,請點擊“下載”,就可以對其進行下載。

程序運行結果如下:
具體工廠1生成-->具體產品1...
具體產品1顯示...

如果將 XML 配置文件中的 ConcreteFactory1 改為 ConcreteFactory2,則程序運行結果如下:
具體工廠2生成-->具體產品2...
具體產品2顯示...

模式的應用實例

【例1】用工廠方法模式設計畜牧場。

分析:有很多種類的畜牧場,如養馬場用于養馬,養牛場用于養牛,所以該實例用工廠方法模式比較適合。

對養馬場和養牛場等具體工廠類,只要定義一個生成動物的方法 newAnimal() 即可。由于要顯示馬類和牛類等具體產品類的圖像,所以它們的構造函數中用到了 JPanel、JLabd 和 ImageIcon 等組件,并定義一個 show() 方法來顯示它們。

客戶端程序通過對象生成器類 ReadXML2 讀取 XML 配置文件中的數據來決定養馬還是養牛。其結構圖如圖 2 所示。

畜牧場結構圖
圖2 畜牧場結構圖

注意:該程序中用到了 XML 文件,并且要顯示馬類和牛類等具體產品類的圖像,如果想要獲取 HTML 文件和圖片,請點擊“下載”,就可以對其進行下載。

程序代碼如下:
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());
        }
    }
}
//抽象產品:動物類
interface Animal
{
    public void show();
}
//具體產品:馬類
class Horse implements Animal
{
    JScrollPane sp;
    JFrame jf=new JFrame("工廠方法模式測試");
    public Horse()
    {
        Container contentPane=jf.getContentPane();
        JPanel p1=new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1,1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("動物:馬"));
        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);    //用戶點擊窗口關閉 
    }
    public void show()
    {
        jf.setVisible(true);
    }
}
//具體產品:牛類
class Cattle implements Animal
{
    JScrollPane sp;
    JFrame jf=new JFrame("工廠方法模式測試");
    public Cattle()
    {
        Container contentPane=jf.getContentPane();
        JPanel p1=new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1,1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("動物: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);    //用戶點擊窗口關閉 
    }
    public void show()
    {
        jf.setVisible(true);
    }
}
//抽象工廠:畜牧場
interface AnimalFarm
{
    public Animal newAnimal();
}
//具體工廠:養馬場
class HorseFarm implements AnimalFarm
{
    public Animal newAnimal()
    {
        System.out.println("新馬出生!");
        return new Horse();
    }
}
//具體工廠:養牛場
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("新類名:"+cName);
            Class<?> c=Class.forName(cName);
              Object obj=c.newInstance();
            return obj;
        }  
        catch(Exception e)
        {
               e.printStackTrace();
               return null;
        }
    }
}

程序的運行結果如圖 3 所示。

畜牧場養殖的運行結果
圖3 畜牧場養殖的運行結果

模式的應用場景

工廠方法模式通常適用于以下場景。
  • 客戶只知道創建產品的工廠名,而不知道具體的產品名。如 TCL 電視工廠、海信電視工廠等。
  • 創建對象的任務由多個具體子工廠中的某一個完成,而抽象工廠只提供創建產品的接口。
  • 客戶不關心創建產品的細節,只關心產品的品牌。

模式的擴展

當需要生成的產品不多且不會增加,一個具體工廠類就可以完成任務時,可刪除抽象工廠類。這時工廠方法模式將退化到簡單工廠模式,其結構圖如圖 4 所示。

簡單工廠模式的結構圖
圖4 簡單工廠模式的結構圖
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