C#设计模式（3）：抽象工厂模式（Abstract Factory）（转载）

概述

在软件系统中，经常面临着“一系列相互依赖的对象”的创建工作；同时由于需求的变化，往往存在着更多系列对象的创建工作。如何应对这种变化？如何绕过常规的对象的创建方法（new），提供一种“封装机制”来避免客户程序和这种“多系列具体对象创建工作”的紧耦合？这就是我们要说的抽象工厂模式。

意图

提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。

模型图

逻辑模型：

物理模型：

生活中的例子

抽 象工厂的目的是要提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而不需要指定它们具体的类。这种模式可以汽车制造厂所使用的金属冲压设备中找到。这种冲压 设备可以制造汽车车身部件。同样的机械用于冲压不同的车型的右边车门、左边车门、右前挡泥板、左前挡泥板和引擎罩等等。通过使用转轮来改变冲压盘，这个机 械产生的具体类可以在三分钟内改变。

抽象工厂之新解

虚拟案例

中国企业需要一项简单的财务计算：每月月底，财务人员要计算员工的工资。

员工的工资 = (基本工资 + 奖金 - 个人所得税)。这是一个放之四海皆准的运算法则。

为了简化系统，我们假设员工基本工资总是4000美金。

中国企业奖金和个人所得税的计算规则是:

         奖金 = 基本工资(4000) * 10%

         个人所得税 = (基本工资 + 奖金) * 40%

我们现在要为此构建一个软件系统（代号叫Softo），满足中国企业的需求。

案例分析

奖金(Bonus)、个人所得税(Tax)的计算是Softo系统的业务规则(Service)。

工资的计算(Calculator)则调用业务规则(Service)来计算员工的实际工资。

工资的计算作为业务规则的前端(或者客户端Client)将提供给最终使用该系统的用户(财务人员)使用。

针对中国企业为系统建模

根据上面的分析，为Softo系统建模如下：

 

则业务规则Service类的代码如下：

 

 1using System;
 2
 3namespace ChineseSalary
 4{
 5    /// <summary>
 6    /// 公用的常量
 7    /// </summary>
 8    public class Constant
 9    {
10        public static double BASE_SALARY = 4000;
11    }
12}

 1using System;
 2
 3namespace ChineseSalary
 4{
 5    /// <summary>
 6    /// 计算中国个人奖金
 7    /// </summary>
 8    public class ChineseBonus
 9    {
10        public double Calculate()
11        {
12            return Constant.BASE_SALARY * 0.1;
13        }
14    }
15}
16

客户端的调用代码：

 

 1using System;
 2
 3namespace ChineseSalary
 4{    
 5    /// <summary>
 6    /// 计算中国个人所得税
 7    /// </summary>
 8    public class ChineseTax
 9    {
10        public double Calculate()
11        {
12            return (Constant.BASE_SALARY + (Constant.BASE_SALARY * 0.1)) * 0.4;
13        }
14    }
15}
16

运行程序，输入的结果如下：

Chinese Salary is：2640

针对美国企业为系统建模

为了拓展国际市场，我们要把该系统移植给美国公司使用。

美国企业的工资计算同样是: 员工的工资 = 基本工资 + 奖金 - 个人所得税。

但是他们的奖金和个人所得税的计算规则不同于中国企业:

美国企业奖金和个人所得税的计算规则是:

        奖金 = 基本工资 * 15 %

        个人所得税 = (基本工资 * 5% + 奖金 * 25%)  

根据前面为中国企业建模经验，我们仅仅将ChineseTax、ChineseBonus修改为AmericanTax、AmericanBonus。修改后的模型如下：

 

则业务规则Service类的代码如下：

 

 1using System;
 2
 3namespace AmericanSalary
 4{
 5    /// <summary>
 6    /// 公用的常量
 7    /// </summary>
 8    public class Constant
 9    {
10        public static double BASE_SALARY = 4000;
11    }
12}
13

 

 1using System;
 2
 3namespace AmericanSalary
 4{
 5    /// <summary>
 6    /// 计算美国个人奖金
 7    /// </summary>
 8    public class AmericanBonus
 9    {
10        public double Calculate()
11        {
12            return Constant.BASE_SALARY * 0.1;
13        }
14    }
15}
16

 1using System;
 2
 3namespace AmericanSalary
 4{    
 5    /// <summary>
 6    /// 计算美国个人所得税
 7    /// </summary>
 8    public class AmericanTax
 9    {
10        public double Calculate()
11        {
12            return (Constant.BASE_SALARY + (Constant.BASE_SALARY * 0.1)) * 0.4;
13        }
14    }
15}
16

客户端的调用代码：

 

 1
 2using System;
 3
 4namespace AmericanSalary
 5{
 6    /// <summary>
 7    /// 客户端程序调用
 8    /// </summary>
 9    public class Calculator 
10    {
11        public static void Main(string[] args) 
12        {
13            AmericanBonus bonus = new AmericanBonus();
14            double bonusValue  = bonus.Calculate();
15    
16            AmericanTax tax = new AmericanTax();
17            double taxValue = tax.Calculate();
18    
19            double salary = 4000 + bonusValue - taxValue; 
20
21            Console.WriteLine("American Salary is：" + salary);
22            Console.ReadLine();
23        }
24    }
25}
26

运行程序，输入的结果如下：

American Salary is：2640

整合成通用系统

让我们回顾一下该系统的发展历程：

最初，我们只考虑将Softo系统运行于中国企业。但随着MaxDO公司业务向海外拓展， MaxDO需要将该系统移植给美国使用。

移植时，MaxDO不得不抛弃中国企业的业务规则类ChineseTax和ChineseBonus，然后为美国企业新建两个业务规则类: AmericanTax,AmericanBonus。最后修改了业务规则调用Calculator类。

结果我们发现：每当Softo系统移植的时候，就抛弃原来的类。现在，如果中国联想集团要购买该系统，我们不得不再次抛弃AmericanTax,AmericanBonus，修改回原来的业务规则。

一个可以立即想到的做法就是在系统中保留所有业务规则模型，即保留中国和美国企业工资运算规则。

 

通过保留中国企业和美国企业的业务规则模型，如果该系统在美国企业和中国企业之间切换时，我们仅仅需要修改Caculator类即可。

让移植工作更简单

前面系统的整合问题在于：当系统在客户在美国和中国企业间切换时仍然需要修改Caculator代码。

一个维护性良好的系统应该遵循“开闭原则”。即：封闭对原来代码的修改，开放对原来代码的扩展（如类的继承，接口的实现）

我们发现不论是中国企业还是美国企业，他们的业务运规则都采用同样的计算接口。于是很自然地想到建立两个业务接口类Tax，Bonus，然后让AmericanTax、AmericanBonus和ChineseTax、ChineseBonus分别实现这两个接口，据此修正后的模型如下：

 

此时客户端代码如下：

 1
 2using System;
 3
 4namespace InterfaceSalary
 5{
 6    /// <summary>
 7    /// 客户端程序调用
 8    /// </summary>
 9    public class Calculator 
10    {
11        public static void Main(string[] args) 
12        {
13            Bonus bonus = new ChineseBonus();
14            double bonusValue  = bonus.Calculate();
15    
16            Tax tax = new ChineseTax();
17            double taxValue = tax.Calculate();
18    
19            double salary = 4000 + bonusValue - taxValue; 
20
21            Console.WriteLine("Chinaese Salary is：" + salary);
22            Console.ReadLine();
23        }
24    }
25}
26

为业务规则增加工厂方法

然而，上面增加的接口几乎没有解决任何问题，因为当系统的客户在美国和中国企业间切换时Caculator代码仍然需要修改。

只不过修改少了两处，但是仍然需要修改ChineseBonus,ChineseTax部分。致命的问题是：我们需要将这个移植工作转包给一个叫Hippo的软件公司。由于版权问题，我们并未提供Softo系统的源码给Hippo公司，因此Hippo公司根本无法修改Calculator，导致实际上移植工作无法进行。

为此，我们考虑增加一个工具类(命名为Factory)，代码如下：

 

 1using System;
 2
 3namespace FactorySalary
 4{
 5    /// <summary>
 6    /// Factory类
 7    /// </summary>
 8    public class Factory
 9    {
10        public Tax CreateTax()
11        {
12            return new ChineseTax();
13        }
14
15        public Bonus CreateBonus()
16        {
17            return new ChineseBonus();
18        }
19    }
20}
21

修改后的客户端代码：

 

 1
 2using System;
 3
 4namespace FactorySalary
 5{
 6    /// <summary>
 7    /// 客户端程序调用
 8    /// </summary>
 9    public class Calculator 
10    {
11        public static void Main(string[] args) 
12        {
13            Bonus bonus = new Factory().CreateBonus();
14            double bonusValue  = bonus.Calculate();
15    
16            Tax tax = new Factory().CreateTax();
17            double taxValue = tax.Calculate();
18    
19            double salary = 4000 + bonusValue - taxValue; 
20
21            Console.WriteLine("Chinaese Salary is：" + salary);
22            Console.ReadLine();
23        }
24    }
25}
26

不错，我们解决了一个大问题，设想一下：当该系统从中国企业移植到美国企业时，我们现在需要做什么？

答案是: 对于Caculator类我们什么也不用做。我们需要做的是修改Factory类，修改结果如下：

 

 1using System;
 2
 3namespace FactorySalary
 4{
 5    /// <summary>
 6    /// Factory类
 7    /// </summary>
 8    public class Factory
 9    {
10        public Tax CreateTax()
11        {
12            return new AmericanTax();
13        }
14
15        public Bonus CreateBonus()
16        {
17            return new AmericanBonus();
18        }
19    }
20}
21

为系统增加抽象工厂方法

很显然，前面的解决方案带来了一个副作用：就是系统不但增加了新的类Factory，而且当系统移植时，移植工作仅仅是转移到Factory类上，工作量并没有任何缩减，而且还是要修改系统的源码。从Factory类在系统移植时修改的内容我们可以看出: 实际上它是专属于美国企业或者中国企业的。名称上应该叫AmericanFactory,ChineseFactory更合适.

解决方案是增加一个抽象工厂类AbstractFactory，增加一个静态方法，该方法根据一个配置文件(App.config或者Web.config) 一个项(比如factoryName)动态地判断应该实例化哪个工厂类，这样，我们就把移植工作转移到了对配置文件的修改。修改后的模型和代码：

 

抽象工厂类的代码如下：

 

 

 1using System;
 2using System.Reflection;
 3 
 4namespace AbstractFactory
 5{
 6     /// <summary>
 7     /// AbstractFactory类
 8     /// </summary>
 9     public abstract class AbstractFactory
10    {
11        public static AbstractFactory GetInstance()
12        {
13            string factoryName = Constant.STR_FACTORYNAME.ToString();
14
15            AbstractFactory instance;
16
17            if(factoryName == "ChineseFactory")
18                instance = new ChineseFactory();
19            else if(factoryName == "AmericanFactory")
20                instance = new AmericanFactory();
21            else
22                instance = null;
23
24            return instance;
25        }
26
27        public abstract Tax CreateTax();
28
29        public abstract Bonus CreateBonus();
30    }
31}

配置文件：

 

1<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
2<configuration>
3    <appSettings>
4        <add key="factoryName" value="AmericanFactory"></add>
5    </appSettings>
6</configuration>
7

采用上面的解决方案，当系统在美国企业和中国企业之间切换时，我们需要做什么移植工作？

 

答案是: 我们仅仅需要修改配置文件，将factoryName的值改为American。

修改配置文件的工作很简单，只要写一篇幅配置文档说明书提供给移植该系统的团队(比如Hippo公司) 就可以方便地切换使该系统运行在美国或中国企业。

最后的修正（不是最终方案）

前面的解决方案几乎很完美，但是还有一点瑕疵，瑕疵虽小，但可能是致命的。

考虑一下，现在日本NEC公司决定购买该系统，NEC公司的工资的运算规则遵守的是日本的法律。如果采用上面的系统构架，这个移植我们要做哪些工作呢?

1.      增加新的业务规则类JapaneseTax,JapaneseBonus分别实现Tax和Bonus接口。

2.      修改AbstractFactory的getInstance方法，增加else if(factoryName.equals("Japanese")){....

注意: 系统中增加业务规则类不是模式所能解决的，无论采用什么设计模式，JapaneseTax,JapaneseBonus总是少不了的。（即增加了新系列产品）

我们真正不能接受的是：我们仍然修要修改系统中原来的类(AbstractFactory)。前面提到过该系统的移植工作，我们可能转包给一个叫Hippo的软件公司。为了维护版权，未将该系统的源码提供给Hippo公司，那么Hippo公司根本无法修改AbstractFactory，所以系统移植其实无从谈起，或者说系统移植总要开发人员亲自参与。

解决方案是将抽象工厂类中的条件判断语句，用.NET中发射机制代替，修改如下：

 

 

 1using System;
 2using System.Reflection;
 3
 4namespace AbstractFactory
 5{
 6    /// <summary>
 7    /// AbstractFactory类
 8    /// </summary>
 9    public abstract class AbstractFactory
10    {
11        public static AbstractFactory GetInstance()
12        {
13            string factoryName = Constant.STR_FACTORYNAME.ToString();
14
15            AbstractFactory instance;
16
17            if(factoryName != "")
18                instance = (AbstractFactory)Assembly.Load(factoryName).CreateInstance(factoryName);
19            else
20                instance = null;
21
22            return instance;
23        }
24
25        public abstract Tax CreateTax();
26
27        public abstract Bonus CreateBonus();
28    }
29}
30

这样，在我们编写的代码中就不会出现Chinese，American，Japanese等这样的字眼了。

小结

最后那幅图是最终版的系统模型图。我们发现作为客户端角色的Calculator仅仅依赖抽象类，它不必去理解中国和美国企业具体的业务规则如何实现，Calculator面对的仅仅是业务规则接口Tax和Bonus。

 

Softo系统的实际开发的分工可能是一个团队专门做业务规则，另一个团队专门做前端的业务规则组装。抽象工厂模式有助于这样的团队的分工: 两个团队通讯的约定是业务接口，由抽象工厂作为纽带粘合业务规则和前段调用，大大降低了模块间的耦合性，提高了团队开发效率。

完完全全地理解抽象工厂模式的意义非常重大，可以说对它的理解是你对OOP理解上升到一个新的里程碑的重要标志。学会了用抽象工厂模式编写框架类，你将理解OOP的精华:面向接口编程.。

应对“新对象”

抽象工厂模式主要在于应对“新系列”的需求变化。其缺点在于难于应付“新对象”的需求变动。如果在开发中出现了新对象，该如何去解决呢？这个问题并没有一个好的答案，下面我们看一下李建忠老师的回答：

“GOF《设计模式》中提出过一种解决方法，即给创建对象的操作增加参数，但这种做法并不能令人满意。事实上，对于新系列加新对象，就我所知，目前还没有完美的做法，只有一些演化的思路，这种变化实在是太剧烈了，因为系统对于新的对象是完全陌生的。”

实现要点

l         抽象工厂将产品对象的创建延迟到它的具体工厂的子类。

l         如果没有应对“多系列对象创建”的需求变化，则没有必要使用抽象工厂模式，这时候使用简单的静态工厂完全可以。

l         系列对象指的是这些对象之间有相互依赖、或作用的关系，例如游戏开发场景中的“道路”与“房屋”的依赖，“道路”与“地道”的依赖。

l         抽象工厂模式经常和工厂方法模式共同组合来应对“对象创建”的需求变化。

l         通常在运行时刻创建一个具体工厂类的实例，这一具体工厂的创建具有特定实现的产品对象，为创建不同的产品对象，客户应使用不同的具体工厂。

l         把工厂作为单件，一个应用中一般每个产品系列只需一个具体工厂的实例，因此，工厂通常最好实现为一个单件模式。

l         创 建产品，抽象工厂仅声明一个创建产品的接口，真正创建产品是由具体产品类创建的，最通常的一个办法是为每一个产品定义一个工厂方法，一个具体的工厂将为每 个产品重定义该工厂方法以指定产品，虽然这样的实现很简单，但它确要求每个产品系列都要有一个新的具体工厂子类，即使这些产品系列的差别很小。

优点

l         分离了具体的类。抽象工厂模式帮助你控制一个应用创建的对象的类，因为一个工厂封装创建产品对象的责任和过程。它将客户和类的实现分离，客户通过他们的抽象接口操纵实例，产品的类名也在具体工厂的实现中被分离，它们不出现在客户代码中。

l         它使得易于交换产品系列。一个具体工厂类在一个应用中仅出现一次——即在它初始化的时候。这使得改变一个应用的具体工厂变得很容易。它只需改变具体的工厂即可使用不同的产品配置，这是因为一个抽象工厂创建了一个完整的产品系列，所以整个产品系列会立刻改变。

l         它有利于产品的一致性。当一个系列的产品对象被设计成一起工作时，一个应用一次只能使用同一个系列中的对象，这一点很重要，而抽象工厂很容易实现这一点。

缺点

l         难以支持新种类的产品。难以扩展抽象工厂以生产新种类的产品。这是因为抽象工厂几口确定了可以被创建的产品集合，支持新种类的产品就需要扩展该工厂接口，这将涉及抽象工厂类及其所有子类的改变。

适用性

在以下情况下应当考虑使用抽象工厂模式：

l         一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节，这对于所有形态的工厂模式都是重要的。

l         这个系统有多于一个的产品族，而系统只消费其中某一产品族。

l         同属于同一个产品族的产品是在一起使用的，这一约束必须在系统的设计中体现出来。

l         系统提供一个产品类的库，所有的产品以同样的接口出现，从而使客户端不依赖于实现。

应用场景

l         支持多种观感标准的用户界面工具箱（Kit）。

l         游戏开发中的多风格系列场景，比如道路，房屋，管道等。

l         ……

总结

总之，抽象工厂模式提供了一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，运用抽象工厂模式的关键点在于应对“多系列对象创建”的需求变化。一句话，学会了抽象工厂模式，你将理解OOP的精华：面向接口编程。