设计模式 | 工厂方法模式及典型应用

不念不忘少年蓝@ 2022-05-13 01:46 195阅读 0赞

### 工厂方法模式 ###

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。

#### 角色 ####

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

#### 示例 ####

抽象产品类 Video

public abstract class Video {
        public abstract void produce();
    }

具体产品类 JavaVideo 和 PythonVideo，需要继承抽象产品类 Video

public class JavaVideo extends Video { 
        @Override
        public void produce() {
            System.out.println("录制Java课程视频");
        }
    }
    
    public class PythonVideo extends Video { 
        @Override
        public void produce() {
            System.out.println("录制Python课程视频");
        }
    }

抽象工厂类 VideoFactory

public abstract class VideoFactory {
        public abstract Video getVideo();
    }

具体工厂类 JavaVideoFactory 和 PythonVideoFactory，需要继承抽象工厂类 VideoFactory

public class JavaVideoFactory extends VideoFactory { 
        @Override
        public Video getVideo() {
            return new JavaVideo();
        }
    }
    
    public class PythonVideoFactory extends VideoFactory { 
        @Override
        public Video getVideo() {
            return new PythonVideo();
        }
    }

客户端类，需要什么产品则通过该产品对应的工厂类来获取，不需要知道具体的创建过程

public class Test {
        public static void main(String[] args) {
            VideoFactory pythonVideoFactory = new PythonVideoFactory();
            VideoFactory javaVideoFactory = new JavaVideoFactory();
            Video pythonVideo = pythonVideoFactory.getVideo();
            pythonVideo.produce();
            Video javaVideo = javaVideoFactory.getVideo();
            javaVideo.produce();
        }
    }

输出

录制Python课程视频
    录制Java课程视频

当需要增加一个产品 FEVideo 时，只需要增加 FEVideo 具体产品类和 FEVideoFactory 具体工厂类即可，不需要修改原有的产品类和工厂类

public class FEVideo extends Video{ 
        @Override
        public void produce() {
            System.out.println("录制FE课程视频");
        }
    }
    
    public class FEVideoFactory extends VideoFactory{ 
        @Override
        public Video getVideo() {
            return new FEVideo();
        }
    }

修改客户端代码

public class Test {
        public static void main(String[] args) {
            VideoFactory feVideoFactory = new FEVideoFactory();
            Video feVideo = feVideoFactory.getVideo();
            feVideo.produce();
        }
    }

还可以通过反射机制和配置文件配合，连客户端代码都不需要修改

public class Test {
        public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {
            // 从文件或数据库等外部渠道获取 工厂类名
            String factoryName = "com.designpattern.factorymethod.JavaVideoFactory";
            // 通过反射机制获取工厂类
            Class c = Class.forName(factoryName);
            VideoFactory factory = (VideoFactory)c.newInstance();
            // 生产产品
            Video video = factory.getVideo();
            video.produce();
        }
    }

最终的类图如下所示

![示例.工厂方法结构图][.]

### 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。

#### 工厂方法模式的主要优点 ####

*  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。
 *  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。
 *  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”。

#### 工厂方法模式的主要缺点 ####

*  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。
 *  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。

#### 适用场景 ####

*  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。
 *  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。

### 工厂方法模式的典型应用及源码分析 ###

#### Java集合接口 Collection 中的工厂方法模式 ####

Collection 中的 iterator 方法如下：

public interface Collection<E> extends Iterable<E> { 
        Iterator<E> iterator();
        // ...省略
    }

> 关于 iterator 方法的介绍：  
> Java的迭代器只在Collection中有，而Map没有迭代器，它有不同的迭代方法；  
> **迭代器的终极目标**：就是用统一的方法来迭代不同类型的集合！可能由于不同集合的内部数据结构不尽相同，如果要自己纯手工迭代的话相互之间会有很大的差别，而迭代器的作用就是统一的方法对不同的集合进行迭代，而在迭代器底层隐藏不同集合之间的差异，从而为迭代提供最大的方便  
> **使用用迭代器迭代的步骤**： i. 第一步肯定是先获取集合的迭代器：调用集合的iterator方法就能获得，Iterator Collection.iterator(); ii. 使用迭代器的hasNext、next往下迭代  
> **Iterator的常用方法**：boolean hasNext()：是否还有下一个元素； Object next()：取出下一个元素并返回； void remove(); ：从容器中删除当前元素，直接会改变容器中的数据

查看该接口的实现类，可以看到是非常的多

![Collection接口的实现类(部分)][Collection]

我们仅看其中一个实现类 `java.util.ArrayList`，看其对 `iterator` 方法的实现

public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }
    
    /**
     * An optimized version of AbstractList.Itr
     */
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;
    
        Itr() {}
    
        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }
    
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            // ...省略...
        }
    
        public void remove() {
            // ...省略...
        }
    
        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
            // ...省略...
        }
    
        final void checkForComodification() {
            // ...省略...
        }
    }

`Itr` 类实现了 `iterator` 接口，`iterator` 接口正是 `Collection` 接口中 `iterator` 方法的返回类型，其代码如下：

public interface Iterator<E> {
        boolean hasNext();
    
        E next();
    
        default void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException("remove");
        }
    
        default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
            Objects.requireNonNull(action);
            while (hasNext())
                action.accept(next());
        }
    }

**由此可见**，`Collection` 接口扮演了抽象工厂角色，工厂方法为 `iterator()`，`Collection` 的实现类譬如 `ArrayList` 扮演了具体工厂角色，而抽象产品为 `Iterator` 接口，具体产品为 `Itr` 类

#### java.net 网络包中的工厂方法模式 ####

URLStreamHandlerFactory 接口为 URL 流协议处理程序定义一个工厂。URL 类使用它可为特定的协议创建 URLStreamHandler

public interface URLStreamHandlerFactory {
        /** * Creates a new { @code URLStreamHandler} instance with the specified protocol. * * @param protocol the protocol ("{ @code ftp}", "{ @code http}", "{ @code nntp}", etc.). * @return a { @code URLStreamHandler} for the specific protocol. * @see java.net.URLStreamHandler */
        URLStreamHandler createURLStreamHandler(String protocol);
    }

该接口的实现类为 `sun.misc.Launcher` 中的内部类 `Factory`

private static class Factory implements URLStreamHandlerFactory { 
        private static String PREFIX = "sun.net.www.protocol";
    
        private Factory() {
        }
    
        public URLStreamHandler createURLStreamHandler(String var1) {
            String var2 = PREFIX + "." + var1 + ".Handler";
    
            try {
                Class var3 = Class.forName(var2);
                return (URLStreamHandler)var3.newInstance();
            } catch (ReflectiveOperationException var4) {
                throw new InternalError("could not load " + var1 + "system protocol handler", var4);
            }
        }
    }

可以看到 `createURLStreamHandler` 方法的实现为：传入参数，拼接前缀和后缀，之后通过反射机制获取创建一个 `URLStreamHandler` 对象

`URLStreamHandler` 是一个抽象类，其中的方法如下图，只有 `openConnection` 为抽象方法，其他方法均有具体实现

![URLStreamHandler抽象类中的方法][URLStreamHandler]

> 关于URLStreamHandler:  
> 抽象类URLStreamHandler是所有流协议处理程序的通用超类。 流协议处理程序知道如何为特定协议类型建立连接，例如http或https

其子类有如下(19个)：

![URLStreamHandler的子类][URLStreamHandler 1]

查看其中一个子类譬如 `sun.net.www.protocol.http.Handler`

public class Handler extends URLStreamHandler { 
        protected String proxy;
        protected int proxyPort;
    
        protected int getDefaultPort() {
            return 80;
        }
    
        public Handler() {
            this.proxy = null;
            this.proxyPort = -1;
        }
    
        public Handler(String var1, int var2) {
            this.proxy = var1;
            this.proxyPort = var2;
        }
    
        protected URLConnection openConnection(URL var1) throws IOException {
            return this.openConnection(var1, (Proxy)null);
        }
    
        protected URLConnection openConnection(URL var1, Proxy var2) throws IOException {
            return new HttpURLConnection(var1, var2, this);
        }
    }

该类实现的 `openConnection` 方法的返回值类型为 `URLConnection`，最终返回了一个 `HttpURLConnection` 对象

我们又继续看 `java.net.URLConnection`，这也是一个抽象类

![image][]

> **URLConnection介绍**：  
> \- URLConnection是一个功能强大的抽象类，它表示指向URL指定资源的活动连接。  
> 与URL类相比，它与服务器的交互提供了更多的控制机制。尤其服务器是HTTP服务器，可以使用URLConnection对HTTP首部的访问，可以配置发送给服务器的请求参数。当然也可以通过它读取服务器的数据以及向服务器写入数据.  
> \- URLConnection是Java的协议处理器机制的一部分。协议处理器机制是将处理协议的细节与特定数据类型分开。如果要实现一个特定的协议，则实现URLConnection的子类即可。程序运行时可以将该子类作为一个具体的协议处理器来使用。  
> \- **使用URLConnection类的步骤**：1. 构造一个URL对象；2. 调用该URL的openConnection()获取一个URLConnection；3. 配置这个URLConnection；4. 读取首部字段；5. 获得输入流并读取数据；6. 获得输出流并写入数据；7. 关闭连接

其子类有23个

![image][image 1]

我们可以画出他们的关系图如下所示

![URLConnection关系图][URLConnection]

**由此可知**：抽象工厂角色为 `URLStreamHandlerFactory`，工厂方法为 `createURLStreamHandler`，抽象产品角色为 `URLStreamHandler`，具体产品角色为 `URLStreamHandler` 的子类譬如 `sun.net.www.protocol.http.Handler`、`sun.net.www.protocol.ftp.Handler` 等

**同时**，`URLStreamHandler` 也扮演了抽象工厂角色，工厂方法为 `openConnection`，`URLStreamHandler` 的子类譬如 `sun.net.www.protocol.http.Handler` 也扮演了具体工厂角色，抽象产品为 `URLConnection`，具体产品角色为 `URLConnection` 的子类如 `sun.net.www.protocol.http.HttpURLConnection` 等

#### Logback 中的工厂方法模式 ####

在上一篇文章《[设计模式 | 简单工厂模式及典型应用][Link 1]》 介绍的 Logback 里有简单工厂模式，其实也有工厂方法模式，画图如下

![iLoggerFactory类关系][iLoggerFactory]

**可以看出**，抽象工厂角色为 `ILoggerFactory` 接口，工厂方法为 `getLogger`，具体工厂角色为 `LoggerContext`、`NOPLoggerFactory`、`SubstituteLoggerFactory` 等，抽象产品角色为 `Logger`，具体产品角色为 `Logger` 的实现类如下

![<code>Logger</code> 的实现类][code_Logger_code_]

而简单工厂模式应用在 `LoggerContext` 的 `getLogger` 方法中，根据参数返回相应的 `Logger` 对象

> 参考：  
> 刘伟：设计模式Java版  
> 慕课网java设计模式精讲 Debug 方式+内存分析

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[.]: http://image.laijianfeng.org/20180908_223324.png
[Collection]: http://image.laijianfeng.org/20180908_230822.png
[URLStreamHandler]: http://image.laijianfeng.org/20180908_235350.png
[URLStreamHandler 1]: http://image.laijianfeng.org/20180908_234100.png
[image]: http://image.laijianfeng.org/20180909_001513.png
[image 1]: http://image.laijianfeng.org/20180909_001308.png
[URLConnection]: http://image.laijianfeng.org/20180909_164345.png
[Link 1]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1NDU0MTE1NA==&mid=2247483700&idx=1&sn=dd4d23f9400c8be248f5d125465ba941&chksm=e9c2ed39deb5642fb809eca1351f00995f06c9a4875f09986cc5005059eff74d6c20fc1118a3&scene=0#rd
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