工厂三兄弟之工厂方法模式

简单工厂模式虽然简单，但存在一个很严重的问题。当系统中需要引入新产品时，由于静态工厂方法通过所传入参数的不同来创建不同的产品，这必定要修改工厂类的源代码，将违背“开闭原则”，如何实现增加新产品而不影响已有代码？工厂方法模式应运而生，本文将介绍第二种工厂模式——工厂方法模式。

1 日志记录器的设计

Sunny软件公司欲开发一个系统运行日志记录器(Logger)，该记录器可以通过多种途径保存系统的运行日志，如通过文件记录或数据库记录，用户可以通过修改配置文件灵活地更换日志记录方式。在设计各类日志记录器时，Sunny公司的开发人员发现需要对日志记录器进行一些初始化工作，初始化参数的设置过程较为复杂，而且某些参数的设置有严格的先后次序，否则可能会发生记录失败。如何封装记录器的初始化过程并保证多种记录器切换的灵活性是Sunny公司开发人员面临的一个难题。 

Sunny公司的开发人员通过对该需求进行分析，发现该日志记录器有两个设计要点：

       (1) 需要封装日志记录器的初始化过程，这些初始化工作较为复杂，例如需要初始化其他相关的类，还有可能需要读取配置文件（例如连接数据库或创建文件），导致代码较长，如果将它们都写在构造函数中，会导致构造函数庞大，不利于代码的修改和维护；

       (2) 用户可能需要更换日志记录方式，在客户端代码中需要提供一种灵活的方式来选择日志记录器，尽量在不修改源代码的基础上更换或者增加日志记录方式。

       Sunny公司开发人员最初使用简单工厂模式对日志记录器进行了设计，初始结构如图1所示：

 

图1 基于简单工厂模式设计的日志记录器结构图

       在图1中，LoggerFactory充当创建日志记录器的工厂，提供了工厂方法createLogger()用于创建日志记录器，Logger是抽象日志记录器接口，其子类为具体日志记录器。其中，工厂类LoggerFactory代码片段如下所示：

//日志记录器工厂
class LoggerFactory {
    //静态工厂方法
    public static Logger createLogger(String args) {
        if(args.equalsIgnoreCase("db")) {
            //连接数据库，代码省略
            //创建数据库日志记录器对象
            Logger logger = new DatabaseLogger(); 
            //初始化数据库日志记录器，代码省略
            return logger;
        }
        else if(args.equalsIgnoreCase("file")) {
            //创建日志文件
            //创建文件日志记录器对象
            Logger logger = new FileLogger(); 
            //初始化文件日志记录器，代码省略
            return logger;            
        }
        else {
            return null;
        }
    }
}

为了突出设计重点，我们对上述代码进行了简化，省略了具体日志记录器类的初始化代码。在LoggerFactory类中提供了静态工厂方法createLogger()，用于根据所传入的参数创建各种不同类型的日志记录器。通过使用简单工厂模式，我们将日志记录器对象的创建和使用分离，客户端只需使用由工厂类创建的日志记录器对象即可，无须关心对象的创建过程，但是我们发现，虽然简单工厂模式实现了对象的创建和使用分离，但是仍然存在如下两个问题：

       (1) 工厂类过于庞大，包含了大量的if…else…代码，导致维护和测试难度增大；

       (2) 系统扩展不灵活，如果增加新类型的日志记录器，必须修改静态工厂方法的业务逻辑，违反了“开闭原则”。

       如何解决这两个问题，提供一种简单工厂模式的改进方案？这就是本文所介绍的工厂方法模式的动机之一。

2 工厂方法模式概述

       在简单工厂模式中只提供一个工厂类，该工厂类处于对产品类进行实例化的中心位置，它需要知道每一个产品对象的创建细节，并决定何时实例化哪一个产品类。简单工厂模式最大的缺点是当有新产品要加入到系统中时，必须修改工厂类，需要在其中加入必要的业务逻辑，这违背了“开闭原则”。此外，在简单工厂模式中，所有的产品都由同一个工厂创建，工厂类职责较重，业务逻辑较为复杂，具体产品与工厂类之间的耦合度高，严重影响了系统的灵活性和扩展性，而工厂方法模式则可以很好地解决这一问题。

       在工厂方法模式中，我们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。

在添加新产品时，不用修改原代码，但需要编写新的具体产品类，而且还要提供与之对应的具体工厂类

工厂方法模式定义如下：

工厂方法模式(Factory Method Pattern)：定义一个用于创建对象的接口，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。工厂方法模式又简称为工厂模式(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。 

工厂方法模式提供一个抽象工厂接口来声明抽象工厂方法，而由其子类来具体实现工厂方法，创建具体的产品对象。工厂方法模式结构如图2所示：

 

图2 工厂方法模式结构图

       在工厂方法模式结构图中包含如下几个角色：

       ● 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。

       ● 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。

       ● 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。

       ● ConcreteFactory（具体工厂）：它是抽象工厂类的子类，实现了抽象工厂中定义的工厂方法，并可由客户端调用，返回一个具体产品类的实例。

       与简单工厂模式相比，工厂方法模式最重要的区别是引入了抽象工厂角色，抽象工厂可以是接口，也可以是抽象类或者具体类，其典型代码如下所示：

interface Factory {
    public Product factoryMethod();
}

在抽象工厂中声明了工厂方法但并未实现工厂方法，具体产品对象的创建由其子类负责，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，其典型代码如下所示：

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

在实际使用时，具体工厂类在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，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，典型的客户端类代码片段如下所示：

……
Factory factory;
factory = new ConcreteFactory(); //可通过配置文件实现
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，更换新的具体工厂时无须修改源代码，系统扩展更为方便。

3 完整解决方案

        Sunny公司开发人员决定使用工厂方法模式来设计日志记录器，其基本结构如图3所示：

图3 日志记录器结构图

       在图3中，Logger接口充当抽象产品，其子类FileLogger和DatabaseLogger充当具体产品，LoggerFactory接口充当抽象工厂，其子类FileLoggerFactory和DatabaseLoggerFactory充当具体工厂。完整代码如下所示：

//日志记录器接口：抽象产品
interface Logger {
    public void writeLog();
}
 
//数据库日志记录器：具体产品
class DatabaseLogger implements Logger {
    public void writeLog() {
        System.out.println("数据库日志记录。");
    }
}
 
//文件日志记录器：具体产品
class FileLogger implements Logger {
    public void writeLog() {
        System.out.println("文件日志记录。");
    }
}
 
//日志记录器工厂接口：抽象工厂
interface LoggerFactory {
    public Logger createLogger();
}
 
//数据库日志记录器工厂类：具体工厂
class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {
    public Logger createLogger() {
            //连接数据库，代码省略
            //创建数据库日志记录器对象
            Logger logger = new DatabaseLogger(); 
            //初始化数据库日志记录器，代码省略
            return logger;
    }    
}
 
//文件日志记录器工厂类：具体工厂
class FileLoggerFactory implements LoggerFactory {
    public Logger createLogger() {
            //创建文件日志记录器对象
            Logger logger = new FileLogger(); 
            //创建文件，代码省略
            return logger;
    }    
}

编写如下客户端测试代码：

class Client {
    public static void main(String args[]) {
        LoggerFactory factory;
        Logger logger;
        factory = new FileLoggerFactory(); //可引入配置文件实现
        logger = factory.createLogger();
        logger.writeLog();
    }
}

 编译并运行程序，输出结果如下：

 

文件日志记录。

工厂方法模式总结

      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，同时还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。

        1. 主要优点

       工厂方法模式的主要优点如下：

       (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，甚至无须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。它能够让工厂可以自主确定创建何种产品对象，而如何创建这个对象的细节则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，就正是因为所有的具体工厂类都具有同一抽象父类。

       (3) 使用工厂方法模式的另一个优点是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，而只要添加一个具体工厂和具体产品就可以了，这样，系统的可扩展性也就变得非常好，完全符合“开闭原则”。

      2. 主要缺点

     工厂方法模式的主要缺点如下：

      (1) 在添加新产品时，需要编写新的具体产品类，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，且在实现时可能需要用到DOM、反射等技术，增加了系统的实现难度。

       3. 适用场景

       在以下情况下可以考虑使用工厂方法模式：

       (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，具体的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。