工厂方法模式

工厂方法模式（Factory Method Pattern）

工厂方法模式是简单工厂模式的延伸，继承优点，弥补缺陷，更好地符合开闭原则的要求，在增加新的具体产品对象时不需要对已有系统做任何修改。

工厂方法模式概述

现在假如有一个抽象按钮产品类，有矩形按钮、圆形按钮、菱形按钮等具体产品类，同时有一个按钮工厂类，按钮工厂类中有一个静态工厂方法，给这个方法传入不同的参数来使工厂生产响应的产品。这是之前学习的简单工厂模式的生产方式。但是如果需要增加一个新类型的按钮，比如椭圆形按钮，那么除了要增加一个具体产品类之外还需要修改按钮工厂类的代码，这就使整个设计在一定程度上违反了开闭原则。

现在对系统进行修改，不在提供一个按钮工厂类来统一负责所有产品的创建，而是将具体按钮的创建过程交给专门的工厂子类去完成。即先定义一个抽象的按钮工厂类，再定义具体的工厂类来生产圆形按钮、矩形按钮等具体产品，这些具体工厂类都实现了抽象按钮工厂类中声明的方法。这种对工厂类抽象化的结果是使得这种结构可以在不修改具体工厂类的情况下增加新的产品，如果出现新的按钮类型，只需要为这种新类型的按钮定义一个具体的工厂类就可以创建新按钮的实例，这种改进的设计方案即为工厂方法模式。工厂方法模式通过引入抽象的工厂类，使得它具有超越简单工厂模式的优越性，让系统更符合开闭原则。

在工厂方法模式中不再提供一个统一的工厂类来创建所有的产品对象，而是针对不同的产品提供不同的工厂，系统提供一个与产品等级结构对应的工厂等级结构。

定义：定义一个用于创建对象的接口，但是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。再工厂方法模式中，工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口，而工厂子类负责生产具体的产品对象。

工厂方法模式结构与实现

工厂方法模式结构

结构如下图：

由上图可知，工厂方法模式包含以下4个角色。

1. Product（抽象产品）：它是定义产品的接口，是工厂方法模式所创建对象的超类型，也就是产品对象的公共父类。
2. ConcreteProduct(具体产品)：它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。
3. 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。
4. ConcreteFactory（具体工厂）：它是抽象工厂类的子类，实现了在抽象工厂类中声明的工厂方法，并可由客户端调用，返回一个具体产品类的实例。

工厂方法模式实现

与简单工厂模式相比，工厂方法模式最重要的特点就是引入了抽象工厂角色，抽象工厂可以是接口，也可以是抽象类或具体类。其典型代码如下：

public interface Factory {
    public Product factoryMethod();
}

具体产品对象的创建由抽象工厂的子类负责，客户端针对抽象工厂编程，可在运行时再指定具体工厂类，具体工厂类实现了工厂方法，不同的具体工厂可以创建不同的具体产品。其典型代码如下：

public class ConcreteFactory implements Factory {
    public Product factoryMethod() {
        return new ConcreteProduct();
    }
}

在实际使用时，具体工厂类除了实现工厂方法时除了创建具体产品对象之外，还可以负责产品对象的初始化工作以及一些资源和环境配置工作，例如连接数据库、创建文件等。

在客户端代码中，开发人员只需关心工厂类即可，不同的具体工厂可以创建不同的产品。典型客户端代码片段如下：

...
Factory factory;
factory = new ConcreteFactory();//可通过配置文件与反射机制实现
Product product；
product = factory.factoryMethod();
...

可以通过配置文件来存储具体工厂类ConcreteFactory的类名，再通过反射机制创建具体工厂对象，在更换新的具体工厂时无须修改源代码，系统扩展更方便。

反射机制与配置文件

在这之前，如果要更换一个具体产品需要修改客户端代码，对于客户端而言不符合开闭原则。在实际开发中为了使客户端符合开闭原则，可以对具体工厂类得实例化过程进行改进，在客户端代码中不直接使用new关键字来创建工厂对象，而是通过Java反射机制结合配置文件（例如XML文件）来生成具体工厂对象。

1. Java反射机制

   Java反射（Java Reflection）是指在程序运行时获取已知名称的类或已有对象的相关信息的一种机制，包括类的方法、属性、父类等信息，还包括实例的创建和实例类型的判断等。在反射中使用最多的类是Class，Class类的实例表示正在运行的Java应用程序中的类和接口，其forName(String className)方法可以返回与带有给定字符串名的类或接口相关联的Class对象，再通过Class对象的newInstance()方法创建此对象所表示的类的一个新实例，即通过一个类名字符串得到类的实例。例如创建一个字符串类型的对象，其代码如下：

   //通过类名生成实例对象并将其返回
   Class c = Class.forName("java.lang.String");
   Object obj = c.newInstance();
   return obj;
   

   此外，在JDK中还提供了java.lang.reflect包，封装了其他与反射相关的类。

2. 配置文件

   软件系统的配置文件通常为XML文件，可以使用DOM（Document Object Model）、SAX（Simple API for XML）、StAX（Streaming API for XML）等技术来处理XML文件。

   在软件开发中可以把类名存储到XMl配置文件中，再读取配置文件获取类名字符串，然后通过Java反射机制来创建对象。

工厂方法的重载

在某些情况下，可以通过多种方法来初始化同一个产品类。例如可以通过默认方式创建一个具体产品对象，也可以通过指定某个参数来创建该具体产品对象。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，所创建的产品类型均要相同。

工厂方法的隐藏

有时为了进一步简化客户端的使用，还可以对客户端隐藏工厂方法，此时在工厂类中直接调用产品类的业务方法，客户端无需调用工厂方法创建产品对象，直接使用工厂对象即可调用所创建的产品对象中的业务方法。在某些情况下可以使用这种设计方案。

工厂方法模式优/缺点与适用环境

工厂方法模式是简单工厂模式的延伸，它继承了简单工厂模式的优点，同时弥补了简单工厂模式的不足。工厂方法模式是使用频率最高的设计模式之一，是很多开源框架和API类库的核心模式。

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，甚至无需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。它能够让工厂自主确定创建何种产品对象，而如何创建这个对象的细节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，正是因为所有的具体工厂类都具有同一抽象父类。
3. 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，只要添加一个具体工厂和具体产品即可，这样系统的可扩展性就变得非常好，完全符合开闭原则。

缺点

1. 在添加新产品时需要编写具体产品类，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。

适用环境

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代换原则，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。