設計模式(五)----建立型模式之工廠模式

1、概述

需求：設計一個咖啡店點餐系統。

設計一個咖啡類（Coffee），並定義其兩個子類（美式咖啡【AmericanCoffee】和拿鐵咖啡【LatteCoffee】）；再設計一個咖啡店類（CoffeeStore），咖啡店具有點咖啡的功能。

具體類的設計如下：

在java中，萬物皆物件，這些物件都需要建立，如果建立的時候直接new該物件，就會對該物件耦合嚴重，假如我們要更換物件，所有new物件的地方都需要修改一遍，這顯然違背了軟體設計的開閉原則。如果我們使用工廠來生產物件，我們就只和工廠打交道就可以了，徹底和物件解耦，如果要更換物件，直接在工廠裡更換該物件即可，達到了與物件解耦的目的；所以說，工廠模式最大的優點就是：解耦。

這次會介紹三種工廠的使用

• 簡單工廠模式（不屬於GOF的23種經典設計模式）

• 工廠方法模式

• 抽象工廠模式

2、簡單工廠模式

簡單工廠不是一種設計模式，反而比較像是一種程式設計習慣。

2.1 結構

簡單工廠包含如下角色：

• 抽象產品 ：定義了產品的規範，描述了產品的主要特性和功能。

• 具體產品 ：實現或者繼承抽象產品的子類

• 具體工廠 ：提供了建立產品的方法，呼叫者通過該方法來獲取產品。

2.2 實現

現在使用簡單工廠對上面案例進行改進，類圖如下：

工廠類程式碼如下：

public class SimpleCoffeeFactory {
​
    public Coffee createCoffee(String type) {
        Coffee coffee = null;
        if("americano".equals(type)) {
            coffee = new AmericanoCoffee();
        } else if("latte".equals(type)) {
            coffee = new LatteCoffee();
        }
        return coffee;
    }
}

工廠（factory）處理建立物件的細節，一旦有了SimpleCoffeeFactory，CoffeeStore類中的orderCoffee()就變成此物件的客戶，後期如果需要Coffee物件直接從工廠中獲取即可。這樣也就解除了和Coffee實現類的耦合，同時又產生了新的耦合，CoffeeStore物件和SimpleCoffeeFactory工廠物件的耦合，工廠物件和商品物件的耦合。

後期如果再加新品種的咖啡，我們勢必要需求修改SimpleCoffeeFactory的程式碼，違反了開閉原則。現在工廠類的使用者端只有咖啡店，後期的話工廠類的使用者端可能有很多，比如建立美團外賣等，這樣只需要修改工廠類的程式碼，省去其他的修改操作。

2.4 優缺點

優點：

封裝了建立物件的過程，可以通過引數直接獲取物件。把物件的建立和業務邏輯層分開，這樣以後就避免了修改客戶程式碼，如果要實現新產品直接修改工廠類，而不需要在原始碼中修改，這樣就降低了客戶程式碼修改的可能性，更加容易擴充套件。

缺點：

增加新產品時還是需要修改工廠類的程式碼，違背了「開閉原則」。

2.3 擴充套件

靜態工廠

在開發中也有一部分人將工廠類中的建立物件的功能定義為靜態的，這個就是靜態工廠模式，它也不是23種設計模式中的。程式碼如下：

public class SimpleCoffeeFactory {
​
    public static Coffee createCoffee(String type) {
        Coffee coffee = null;
        if("americano".equals(type)) {
            coffee = new AmericanoCoffee();
        } else if("latte".equals(type)) {
            coffee = new LatteCoffee();
        }
        return coffe;
    }
}

3、工廠方法模式

針對上例中的缺點，使用工廠方法模式就可以完美的解決，完全遵循開閉原則。

3.1 概念

定義一個用於建立物件的介面，讓子類決定範例化哪個產品類物件。工廠方法使一個產品類的範例化延遲到其工廠的子類。

3.2 結構

工廠方法模式的主要角色：

• 抽象工廠（Abstract Factory）：提供了建立產品的介面，呼叫者通過它存取具體工廠的工廠方法來建立產品。

• 具體工廠（ConcreteFactory）：主要是實現抽象工廠中的抽象方法，完成具體產品的建立。

• 抽象產品（Product）：定義了產品的規範，描述了產品的主要特性和功能。

• 具體產品（ConcreteProduct）：實現了抽象產品角色所定義的介面，由具體工廠來建立，它同具體工廠之間一一對應。

3.3 實現

使用工廠方法模式對上例進行改進，類圖如下：

程式碼如下：

抽象工廠：

public interface CoffeeFactory {
​
    Coffee createCoffee();
}

具體工廠：

public class LatteCoffeeFactory implements CoffeeFactory {
​
    public Coffee createCoffee() {
        return new LatteCoffee();
    }
}
​
public class AmericanCoffeeFactory implements CoffeeFactory {
​
    public Coffee createCoffee() {
        return new AmericanCoffee();
    }
}

咖啡店類：

public class CoffeeStore {
​
    private CoffeeFactory factory;
​
    public CoffeeStore(CoffeeFactory factory) {
        this.factory = factory;
    }
​
    public Coffee orderCoffee(String type) {
        Coffee coffee = factory.createCoffee();
        coffee.addMilk();
        coffee.addsugar();
        return coffee;
    }
}

從以上的編寫的程式碼可以看到，要增加產品類時也要相應地增加工廠類，不需要修改工廠類的程式碼了，這樣就解決了簡單工廠模式的缺點。

工廠方法模式是簡單工廠模式的進一步抽象。由於使用了多型性，工廠方法模式保持了簡單工廠模式的優點，而且克服了它的缺點。

3.4 優缺點

優點：

• 使用者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建立過程；

• 在系統增加新的產品時只需要新增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；

缺點：

• 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，這增加了系統的複雜度。

4、抽象工廠模式

前面介紹的工廠方法模式中考慮的是一類產品的生產，如畜牧場只養動物、電視機廠只生產電視機等。

這些工廠只生產同種類產品，同種類產品稱為同等級產品，也就是說：工廠方法模式只考慮生產同等級的產品，但是在現實生活中許多工廠是綜合型的工廠，能生產多等級（種類） 的產品，如電器廠既生產電視機又生產洗衣機或空調，大學既有軟體專業又有生物專業等。

抽象工廠模式將考慮多等級產品的生產，將同一個具體工廠所生產的位於不同等級的一組產品稱為一個產品族，下圖所示橫軸是產品等級，也就是同一類產品；縱軸是產品族，也就是同一品牌的產品，同一品牌的產品產自同一個工廠。

4.1 概念

是一種為存取類提供一個建立一組相關或相互依賴物件的介面，且存取類無須指定所要產品的具體類就能得到同族的不同等級的產品的模式結構。

抽象工廠模式是工廠方法模式的升級版本，工廠方法模式只生產一個等級的產品，而抽象工廠模式可生產多個等級的產品。

4.2 結構

抽象工廠模式的主要角色如下：

• 抽象工廠（Abstract Factory）：提供了建立產品的介面，它包含多個建立產品的方法，可以建立多個不同等級的產品。

• 具體工廠（Concrete Factory）：主要是實現抽象工廠中的多個抽象方法，完成具體產品的建立。

• 抽象產品（Product）：定義了產品的規範，描述了產品的主要特性和功能，抽象工廠模式有多個抽象產品。

• 具體產品（ConcreteProduct）：實現了抽象產品角色所定義的介面，由具體工廠來建立，它 同具體工廠之間是多對一的關係。

4.2 實現

現咖啡店業務發生改變，不僅要生產咖啡還要生產甜點，如提拉米蘇、抹茶慕斯等，要是按照工廠方法模式，需要定義提拉米蘇類、抹茶慕斯類、提拉米蘇工廠、抹茶慕斯工廠、甜點工廠類，很容易發生類爆炸情況。其中拿鐵咖啡、美式咖啡是一個產品等級，都是咖啡；提拉米蘇、抹茶慕斯也是一個產品等級；拿鐵咖啡和提拉米蘇是同一產品族（也就是都屬於義大利風味），美式咖啡和抹茶慕斯是同一產品族（也就是都屬於美式風味）。所以這個案例可以使用抽象工廠模式實現。類圖如下：

程式碼如下：

抽象工廠：

public interface DessertFactory {
​
    Coffee createCoffee();
​
    Dessert createDessert();
}

具體工廠：

//美式甜點工廠
public class AmericanDessertFactory implements DessertFactory {
​
    public Coffee createCoffee() {
        return new AmericanCoffee();
    }
​
    public Dessert createDessert() {
        return new MatchaMousse();
    }
}
//義大利風味甜點工廠
public class ItalyDessertFactory implements DessertFactory {
​
    public Coffee createCoffee() {
        return new LatteCoffee();
    }
​
    public Dessert createDessert() {
        return new Tiramisu();
    }
}

如果要加同一個產品族的話，只需要再加一個對應的工廠類即可，不需要修改其他的類。

4.3 優缺點

優點：

當一個產品族中的多個物件被設計成一起工作時，它能保證使用者端始終只使用同一個產品族中的物件。

缺點：

當產品族中需要增加一個新的產品時，所有的工廠類都需要進行修改。

4.4 使用場景

• 當需要建立的物件是一系列相互關聯或相互依賴的產品族時，如電器工廠中的電視機、洗衣機、空調等。

• 系統中有多個產品族，但每次只使用其中的某一族產品。如有人只喜歡穿某一個品牌的衣服和鞋。

• 系統中提供了產品的類庫，且所有產品的介面相同，使用者端不依賴產品範例的建立細節和內部結構。

如：輸入法換面板，一整套一起換。又例如生成不同作業系統的程式。

5、模式擴充套件

簡單工廠+組態檔解除耦合

比如在Spring框架中，可以通過工廠模式+組態檔的方式解除工廠物件和產品物件的耦合。在工廠類中載入組態檔中的全類名，並建立物件進行儲存，使用者端如果需要物件，直接進行獲取即可。

第一步：定義組態檔

為了演示方便，我們使用properties檔案作為組態檔，名稱為bean.properties

使用自己實際的類路徑（下面只是樣例路徑）

american=com.itheima.pattern.factory.config_factory.AmericanCoffee
latte=com.itheima.pattern.factory.config_factory.LatteCoffee

第二步：改進工廠類

public class CoffeeFactory {
​
    private static Map<String,Coffee> map = new HashMap();
​
    static {
        Properties p = new Properties();
        InputStream is = CoffeeFactory.class.getClassLoader().getResourceAsStream("bean.properties");
        try {
            p.load(is);
            //遍歷Properties集合物件
            Set<Object> keys = p.keySet();
            for (Object key : keys) {
                //根據鍵獲取值（全類名）
                String className = p.getProperty((String) key);
                //通過反射技術獲取位元組碼物件
                Class clazz = Class.forName(className);
                Coffee obj = (Coffee) clazz.newInstance();
                map.put((String)key,obj);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
​
    public static Coffee createCoffee(String name) {
​
        return map.get(name);
    }
}

靜態成員變數用來儲存建立的物件（鍵儲存的是名稱，值儲存的是對應的物件），而讀取組態檔以及建立物件寫在靜態程式碼塊中，目的就是隻需要執行一次。

接下來介紹一個在jdk中原始碼中使用工廠模式的一個類

6、JDK原始碼解析-Collection.iterator方法

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("令狐沖");
        list.add("風清揚");
        list.add("任我行");
​
        //獲取迭代器物件
        Iterator<String> it = list.iterator();
        //使用迭代器遍歷
        while(it.hasNext()) {
            String ele = it.next();
            System.out.println(ele);
        }
    }
}

對上面的程式碼大家應該很熟，使用迭代器遍歷集合，獲取集合中的元素。而單列集合獲取迭代器的方法就使用到了工廠方法模式。我們看通過類圖看看結構：

Collection介面是抽象工廠類，ArrayList是具體的工廠類；Iterator介面是抽象商品類，ArrayList類中的Iter內部類是具體的商品類。在具體的工廠類中iterator()方法建立具體的商品類的物件。

另：

1,DateForamt類中的getInstance()方法使用的是工廠模式；

2,Calendar類中的getInstance()方法使用的是工廠模式；