Java设计模式（一）简单工厂模式不简单

Java设计模式（一）简单工厂模式不简单
摘要：本文介绍了简单工厂模式的概念，优缺点，实现方式，以及结合Annotation和反射的改良方案（让简单工厂模式不简单）。同时介绍了简单工厂模式（未）遵循的OOP原则。最后给出了简单工厂模式在JDBC中的应用

原创文章。同步自作者个人博客[http://www.jasongj.com/design_pattern/simple_factory](http://www.jasongj.com/design_pattern/simple_factory)
简单工厂模式使用案例

有一种抽象产品——汽车（Car），同时有多种具体的子类产品，如BenzCar，BMWCar，LandRoverCar。类图如下

作为司机，如果要开其中一种车，比如BenzCar，最直接的做法是直接创建BenzCar的实例，并执行其drive方法，如下
```
package com.jasongj.client;

import com.jasongj.product.BenzCar;

public class Driver1 {

  public static void main(String[] args) {
    BenzCar car = new BenzCar();
    car.drive();
  }

}
```
此时如果要改为开Land Rover，则需要修改代码，创建Land Rover的实例并执行其drive方法。这也就意味着任何时候需要换一辆车开的时候，都必须修改客户端代码。

一种稍微好点的方法是，通过读取配置文件，获取需要开的车，然后创建相应的实例并由父类Car的引用指向它，利用多态执行不同车的drive方法。如下
```
package com.jasongj.client;

import org.apache.commons.configuration.ConfigurationException;
import org.apache.commons.configuration.XMLConfiguration;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import com.jasongj.product.BMWCar;
import com.jasongj.product.BenzCar;
import com.jasongj.product.Car;
import com.jasongj.product.LandRoverCar;

public class Driver2 {
  
  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(Driver2.class);

  public static void main(String[] args) throws ConfigurationException {
    XMLConfiguration config = new XMLConfiguration("car.xml");
    String name = config.getString("driver2.name");
    Car car;

    switch (name) {
    case "Land Rover":
      car = new LandRoverCar();
      break;
    case "BMW":
      car = new BMWCar();
      break;
    case "Benz":
      car = new BenzCar();
      break;
    default:
      car = null;
      break;
    }
    LOG.info("Created car name is {}", name);
    car.drive();
  }

}
```
对于Car的使用方而言，只需要通过参数即可指定所需要Car的各类并得到其实例，同时无论使用哪种Car，都不需要修改后续对Car的操作。至此，简单工厂模式的原型已经形成。如果把上述的逻辑判断封装到一个专门的类的静态方法中，则实现了简单工厂模式。工厂代码如下
```
package com.jasongj.factory;

import org.apache.commons.configuration.ConfigurationException;
import org.apache.commons.configuration.XMLConfiguration;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import com.jasongj.product.BMWCar;
import com.jasongj.product.BenzCar;
import com.jasongj.product.Car;
import com.jasongj.product.LandRoverCar;

public class CarFactory1 {
  
  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(CarFactory1.class);

  public static Car newCar() {
    Car car = null;
    String name = null;
    try {
      XMLConfiguration config = new XMLConfiguration("car.xml");
      name = config.getString("factory1.name");
    } catch (ConfigurationException ex) {
      LOG.error("parse xml configuration file failed", ex);
    }

    switch (name) {
    case "Land Rover":
      car = new LandRoverCar();
      break;
    case "BMW":
      car = new BMWCar();
      break;
    case "Benz":
      car = new BenzCar();
      break;
    default:
      car = null;
      break;
    }
    LOG.info("Created car name is {}", name);
    return car;
  }

}
```
调用方代码如下
```
package com.jasongj.client;

import com.jasongj.factory.CarFactory1;
import com.jasongj.product.Car;

public class Driver3 {

  public static void main(String[] args) {
    Car car = CarFactory1.newCar();
    car.drive();
  }

}
```
与Driver2相比，所有的判断逻辑都封装在工厂(CarFactory1)当中，Driver3不再需要关心Car的实例化，实现了对象的创建和使用的隔离。

当然，简单工厂模式并不要求一定要读配置文件来决定实例化哪个类，可以把参数作为工厂静态方法的参数传入。

简单工厂模式进阶

使用反射实现扩展性

从Driver2和CarFactory1的实现中可以看到，当有新的车加入时，需要更新Driver2和CarFactory1的代码也实现对新车的支持。这就违反了开闭原则（Open-Close Principle）。可以利用反射（Reflection）解决该问题。
```
package com.jasongj.factory;

import org.apache.commons.configuration.ConfigurationException;
import org.apache.commons.configuration.XMLConfiguration;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import com.jasongj.product.Car;

public class CarFactory2 {
  
  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(CarFactory2.class);

  public static Car newCar() {
    Car car = null;
    String name = null;
    try {
      XMLConfiguration config = new XMLConfiguration("car.xml");
      name = config.getString("factory2.class");
    } catch (ConfigurationException ex) {
      LOG.error("Parsing xml configuration file failed", ex);
    }
    
    try {
      car = (Car)Class.forName(name).newInstance();
      LOG.info("Created car class name is {}", name);
    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException | ClassNotFoundException e) {
      LOG.error("Instantiate car {} failed", name);
    }
    return car;
  }

}
```
从上面代码中可以看到，之后如果需要引入新的Car，只需要在配置文件中指定该Car的完整类名（包括package名），CarFactory2即可通过反射将其实例化。实现了对扩展的开放，同时保证了对修改的关闭。熟悉Spring的读者应该会想到Spring IoC的实现。

注解让简单工厂模式不简单

上例中使用反射做到了对扩展开放，对修改关闭。但有些时候，使用类的全名不太方便，使用别名会更合适。例如Spring中每个Bean都会有个ID，引用Bean时也会通过ID去引用。像Apache Nifi这样的数据流工具，在流程上使用了职责链模式，而对于单个Processor的创建则使用了工厂，对于用户自定义的Processor并不需要通过代码去注册，而是使用注解（为了更方便理解下面这段代码，请先阅读笔者另外一篇文章《Java系列（一）Annotation（注解）》）。

下面就继续在上文案例的基础上使用注解升级简单工厂模式。
```
package com.jasongj.factory;

import java.util.Collections;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

import org.apache.commons.configuration.ConfigurationException;
import org.apache.commons.configuration.XMLConfiguration;
import org.reflections.Reflections;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import com.jasongj.annotation.Vehicle;
import com.jasongj.product.Car;

public class CarFactory3 {

  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(CarFactory3.class);

  private static Map<String, Class> allCars;

  static {
    Reflections reflections = new Reflections("com.jasongj.product");
    Set<Class<?>> annotatedClasses = reflections.getTypesAnnotatedWith(Vehicle.class);
    allCars = new ConcurrentHashMap<String, Class>();
    for (Class<?> classObject : annotatedClasses) {
      Vehicle vehicle = (Vehicle) classObject.getAnnotation(Vehicle.class);
      allCars.put(vehicle.type(), classObject);
    }
    allCars = Collections.unmodifiableMap(allCars);
  }

  public static Car newCar() {
    Car car = null;
    String type = null;
    try {
      XMLConfiguration config = new XMLConfiguration("car.xml");
      type = config.getString("factory3.type");
      LOG.info("car type is {}", type);
    } catch (ConfigurationException ex) {
      LOG.error("Parsing xml configuration file failed", ex);
    }

    if (allCars.containsKey(type)) {
      LOG.info("created car type is {}", type);
      try {
        car = (Car) allCars.get(type).newInstance();
      } catch (InstantiationException | IllegalAccessException ex) {
        LOG.error("Instantiate car failed", ex);
      }
    } else {
      LOG.error("specified car type {} does not exist", type);
    }
    return car;
  }

}
```
从上面代码中可以看到，该工厂会扫描所有被Vehicle注解的Car（每种Car都在注解中声明了自己的type，可作为该种Car的别名）然后建立起Car别名与具体Car的Class原映射。此时工厂的静态方法即可根据目标别名实例化对应的Car。

本文所有代码都可从作者GitHub下载.

简单工厂模式详解

简单工厂模式定义

简单工厂模式（Simple Factory Pattern）又叫静态工厂方法模式（Static FactoryMethod Pattern）。专门定义一个类（如上文中的CarFactory1、CarFactory2、CarFactory3）来负责创建其它类的实例，由它来决定实例化哪个具体类，从而避免了在客户端代码中显式指定，实现了解耦。该类由于可以创建同一抽象类（或接口）下的不同子类对象，就像一个工厂一样，因此被称为工厂类。

简单工厂模式类图

简单工厂模式类图如下所示

简单工厂模式角色划分
- 工厂角色（如上文中的CarFactory1/2/3）：这是简单工厂模式的核心，由它负责创建所有的类的内部逻辑。当然工厂类必须能够被外界调用，创建所需要的产品对象。一般而言，工厂类提供一个静态方法，外部程序通过该方法创建所需对象。
- 抽象产品角色(如上文中的Car)：简单工厂模式所创建的所有对象的父类。注意，这里的父类可以是接口也可以是抽象类，它负责描述所创建实例共有的公共接口。
- 具体产品角色（如上文中的BMWCar，BenzCar，LandRoverCar）：简单工厂所创建的具体实例对象，这些具体的产品往往都拥有共同的父类。
简单工厂模式优点
- 工厂类是整个简单工厂模式的关键所在。它包含必要的判断逻辑，能够根据外界给定的信息（配置，或者参数），决定究竟应该创建哪个具体类的对象。用户在使用时可以直接根据工厂类去创建所需的实例，而无需了解这些对象是如何创建以及如何组织的。有利于整个软件体系结构的优化。
- 通过引入配置文件和反射，可以在不修改任何客户端代码的情况下更换和增加新的具体产品类，在一定程度上提高了系统的灵活性（如CarFactory2）。
- 客户端无须知道所创建的具体产品类的类名，只需要知道具体产品类所对应的参数即可，对于一些复杂的类名，通过简单工厂模式可以减少使用者的记忆量（如CarFactory3）。
简单工厂模式缺点
- 由于工厂类集中了所有实例的创建逻辑，这就直接导致一旦这个工厂出了问题，所有的客户端都会受到牵连。
- 由于简单工厂模式的产品是基于一个共同的抽象类或者接口，这样一来，产品的种类增加的时候，即有不同的产品接口或者抽象类的时候，工厂类就需要判断何时创建何种接口的产品，这就和创建何种种类的产品相互混淆在了一起，违背了单一职责原则，导致系统丧失灵活性和可维护性。
- 正如上文提到的，一般情况下（如CarFactory1），简单工厂模式违背了“开放-关闭原则”，因为当我们新增加一个产品的时候必须修改工厂类，相应的工厂类就需要重新编译一遍。但这一点可以利用反射（CarFactory3在本质上也是利用反射）在一定程度上解决（如CarFactory2）。
- 使用反射可以使简单工厂在一定条件下满足“开放-关闭原则”，但这仅限于产品类的构造及初始化相同的场景。对于各产品实例化或者初始化不同的场景，很难利用反射满足“开放-关闭”原则。
- 简单工厂模式由于使用了静态工厂方法，造成工厂角色无法形成基于继承的等级结构。这一点笔者持保留态度，因为继承不是目的，如果没有这样的需求，这一点完全不算缺点，例如JDBC的DriverManager。
简单工厂模式与OOP原则

已遵循的原则
- 依赖倒置原则
- 迪米特法则
- 里氏替换原则
- 接口隔离原则
未遵循的原则
- 开闭原则（如上文所述，利用配置文件+反射或者注解可以避免这一点）
- 单一职责原则（工厂类即要负责逻辑判断又要负责实例创建）
简单工厂模式在JDK中的典型应用

简单工厂模式在JDK中最典型的应用要数JDBC了。可以把关系型数据库认为是一种抽象产品，各厂商提供的具体关系型数据库（MySQL，PostgreSQL，Oracle）则是具体产品。DriverManager是工厂类。应用程序通过JDBC接口使用关系型数据库时，并不需要关心具体使用的是哪种数据库，而直接使用DriverManager的静态方法去得到该数据库的Connection。
```
package com.jasongj.client;

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.PreparedStatement;
import java.sql.SQLException;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

public class JDBC {
  
  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(JDBC.class);

  public static void main(String[] args) {
    Connection conn = null;
    try {
      Class.forName("org.apache.hive.jdbc.HiveDriver");
      conn = DriverManager.getConnection("jdbc:hive2://127.0.0.1:10000/default");
      PreparedStatement ps = conn.prepareStatement("select count(*) from test.test");
      ps.execute();
    } catch (SQLException ex) {
      LOG.warn("Execute query failed", ex);
    } catch(ClassNotFoundException e) {
      LOG.warn("Load Hive driver failed", e);
    } finally {
      if(conn != null ){
        try {
          conn.close();
        } catch (SQLException e) {
          // NO-OPT
        }
      }
    }
  }
}
```
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简单工厂模式使用案例

简单工厂模式进阶

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简单工厂模式详解

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简单工厂模式在JDK中的典型应用

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