Java 工厂模式

什么是工厂模式？

工厂模式是Java中最常用的设计模式之一，它属于创建型设计模式，提供了一种创建对象的最佳方式。在工厂模式中，我们不会直接使用new操作符来创建对象，而是使用一个工厂类来负责创建产品对象。这样做的好处是将对象的创建与使用分离，使系统更加灵活。

核心思想

工厂模式的核心思想是：定义一个创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。

工厂模式的分类

工厂模式主要分为三种类型：

简单工厂模式(Simple Factory Pattern)
工厂方法模式(Factory Method Pattern)
抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern)

下面我们将逐一介绍这三种工厂模式。

简单工厂模式

简单工厂模式，也被称为静态工厂方法模式，它是由一个工厂类根据传入的参数，决定创建出哪一种产品类的实例。

实现步骤

创建一个接口或抽象类，定义产品的共同行为
创建具体产品类，实现接口或继承抽象类
创建工厂类，包含一个创建产品的方法

代码示例

java
// 步骤1：创建产品接口
interface Shape {
    void draw();
}

// 步骤2：创建具体产品类
class Circle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("画一个圆形");
    }
}

class Rectangle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("画一个矩形");
    }
}

class Square implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("画一个正方形");
    }
}

// 步骤3：创建工厂类
class ShapeFactory {
    // 使用getShape方法获取形状类型的对象
    public static Shape getShape(String shapeType) {
        if (shapeType == null) {
            return null;
        }
        if (shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")) {
            return new Circle();
        } else if (shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")) {
            return new Rectangle();
        } else if (shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")) {
            return new Square();
        }
        return null;
    }
}

// 演示类
public class SimpleFactoryDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取Circle对象并调用draw方法
        Shape circle = ShapeFactory.getShape("CIRCLE");
        circle.draw();

        // 获取Rectangle对象并调用draw方法
        Shape rectangle = ShapeFactory.getShape("RECTANGLE");
        rectangle.draw();

        // 获取Square对象并调用draw方法
        Shape square = ShapeFactory.getShape("SQUARE");
        square.draw();
    }
}

输出结果：

画一个圆形
画一个矩形
画一个正方形

简单工厂模式的优缺点

优点：

将对象的创建与使用分离，客户端不需要知道具体产品类的类名，只需知道参数即可
通过参数来决定创建哪种产品实例，避免了复杂的条件判断

缺点：

工厂类集中了所有产品的创建逻辑，职责过重
增加新产品时需要修改工厂类的代码，违反了开闭原则
工厂类使用了静态工厂方法，无法形成继承等层次结构

工厂方法模式

工厂方法模式是对简单工厂模式的进一步抽象和推广。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对象，而是针对不同的对象提供不同的工厂。

实现步骤

创建抽象产品类
创建具体产品类
创建抽象工厂类，包含创建产品的抽象方法
创建具体工厂类，实现抽象方法创建具体产品

代码示例

java
// 步骤1：创建抽象产品类
interface Product {
    void operation();
}

// 步骤2：创建具体产品类
class ConcreteProductA implements Product {
    @Override
    public void operation() {
        System.out.println("ConcreteProductA的操作");
    }
}

class ConcreteProductB implements Product {
    @Override
    public void operation() {
        System.out.println("ConcreteProductB的操作");
    }
}

// 步骤3：创建抽象工厂类
interface Factory {
    Product createProduct();
}

// 步骤4：创建具体工厂类
class ConcreteFactoryA implements Factory {
    @Override
    public Product createProduct() {
        return new ConcreteProductA();
    }
}

class ConcreteFactoryB implements Factory {
    @Override
    public Product createProduct() {
        return new ConcreteProductB();
    }
}

// 演示类
public class FactoryMethodDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Factory factoryA = new ConcreteFactoryA();
        Product productA = factoryA.createProduct();
        productA.operation();

        Factory factoryB = new ConcreteFactoryB();
        Product productB = factoryB.createProduct();
        productB.operation();
    }
}

输出结果：

ConcreteProductA的操作
ConcreteProductB的操作

工厂方法模式的类图

工厂方法模式的优缺点

优点：

遵循了开闭原则，增加新产品时只需添加具体产品类和对应的工厂类
符合单一职责原则，每个工厂只负责创建对应的产品
更加符合面向对象的设计原则，每个具体工厂类只负责创建对应的产品

缺点：

类的个数成对增加，增加了系统的复杂度
增加了系统的抽象性和理解难度

抽象工厂模式

抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本，它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。

实现步骤

创建抽象产品族（多个抽象产品）
创建具体产品
创建抽象工厂
创建具体工厂

代码示例

假设我们要创建不同风格（现代和古典）的家具（椅子和桌子）：

java
// 步骤1：创建抽象产品族
// 抽象椅子
interface Chair {
    void sitOn();
}

// 抽象桌子
interface Table {
    void putOn();
}

// 步骤2：创建具体产品
// 现代风格椅子
class ModernChair implements Chair {
    @Override
    public void sitOn() {
        System.out.println("坐在现代风格的椅子上");
    }
}

// 古典风格椅子
class ClassicChair implements Chair {
    @Override
    public void sitOn() {
        System.out.println("坐在古典风格的椅子上");
    }
}

// 现代风格桌子
class ModernTable implements Table {
    @Override
    public void putOn() {
        System.out.println("在现代风格的桌子上放东西");
    }
}

// 古典风格桌子
class ClassicTable implements Table {
    @Override
    public void putOn() {
        System.out.println("在古典风格的桌子上放东西");
    }
}

// 步骤3：创建抽象工厂
interface FurnitureFactory {
    Chair createChair();
    Table createTable();
}

// 步骤4：创建具体工厂
// 现代家具工厂
class ModernFurnitureFactory implements FurnitureFactory {
    @Override
    public Chair createChair() {
        return new ModernChair();
    }

    @Override
    public Table createTable() {
        return new ModernTable();
    }
}

// 古典家具工厂
class ClassicFurnitureFactory implements FurnitureFactory {
    @Override
    public Chair createChair() {
        return new ClassicChair();
    }

    @Override
    public Table createTable() {
        return new ClassicTable();
    }
}

// 演示类
public class AbstractFactoryDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建现代风格家具
        FurnitureFactory modernFactory = new ModernFurnitureFactory();
        Chair modernChair = modernFactory.createChair();
        Table modernTable = modernFactory.createTable();
        
        modernChair.sitOn();
        modernTable.putOn();
        
        // 创建古典风格家具
        FurnitureFactory classicFactory = new ClassicFurnitureFactory();
        Chair classicChair = classicFactory.createChair();
        Table classicTable = classicFactory.createTable();
        
        classicChair.sitOn();
        classicTable.putOn();
    }
}

输出结果：

坐在现代风格的椅子上
在现代风格的桌子上放东西
坐在古典风格的椅子上
在古典风格的桌子上放东西

抽象工厂模式的类图

抽象工厂模式的优缺点

优点：

抽象工厂模式可以确保一系列相关产品的一致性（例如同一风格的不同家具）
符合开闭原则，当需要增加一个新的产品族时，只需增加相应的具体工厂类
有利于产品的一致性，防止混用不同系列的产品

缺点：

难以支持新种类的产品。如果需要添加新产品（如衣柜），需要修改抽象工厂接口及所有实现类
系统的复杂度增加，接口和类太多，增加学习成本

工厂模式的实际应用场景

工厂模式在Java开发中广泛应用，以下是一些常见的应用场景：

1. Java Collection Framework

Java集合框架中的Collections类就包含许多静态工厂方法：

java
// 创建不可变集合的工厂方法
List<String> list = Collections.unmodifiableList(new ArrayList<>());

2. JDBC连接数据库

java
// 通过工厂方法获取数据库连接
Connection conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/db_name", "username", "password");

3. Spring框架中的BeanFactory

Spring框架中的BeanFactory使用了工厂模式，它根据配置创建不同的Bean实例。

java
// 从Spring容器获取Bean实例的工厂方法
UserService userService = context.getBean(UserService.class);

4. GUI框架中的按钮创建

java
// 基于不同操作系统创建不同外观的按钮
Button button = GUIFactory.createButton(osType);

5. 日志记录器的创建

java
// 创建不同类型的日志记录器
Logger logger = LoggerFactory.getLogger(LoggerType.FILE);

工厂模式的选择建议

如何选择适合的工厂模式？

简单工厂：当创建的产品较少且不会频繁新增产品时，可以使用简单工厂模式。
工厂方法：当需要新增产品，并且不希望修改已有代码时，使用工厂方法模式。
抽象工厂：当需要创建一系列相互关联的产品族时，使用抽象工厂模式。

总结

工厂模式是Java中非常重要的创建型设计模式，它将对象的创建与使用分离，使系统更加灵活。我们学习了三种工厂模式：

简单工厂模式：使用一个工厂类根据参数创建不同的产品实例。
工厂方法模式：定义一个创建对象的接口，但由子类决定要实例化的类是哪一个。
抽象工厂模式：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。

工厂模式在我们日常的Java编程中有着广泛的应用。掌握这些模式有助于我们设计出更加灵活、可扩展的系统。

练习题

使用简单工厂模式设计一个计算器程序，能够进行加、减、乘、除运算。
使用工厂方法模式设计一个文件读取系统，可以读取不同格式的文件（如TXT、XML、JSON等）。
使用抽象工厂模式设计一个跨平台UI系统，可以在不同操作系统上创建统一风格的按钮、文本框等UI组件。

附加资源

《Head First 设计模式》- Eric Freeman等著
《设计模式：可复用面向对象软件的基础》- GoF (Gang of Four)著
Java设计模式：工厂模式 - Refactoring Guru网站

通过学习和应用这些工厂模式，你将能够更好地组织和设计你的Java应用程序，使其更加灵活和可维护。

什么是工厂模式？​

工厂模式的分类​

简单工厂模式​

实现步骤​

代码示例​

简单工厂模式的优缺点​

工厂方法模式​

实现步骤​

代码示例​

工厂方法模式的类图​

工厂方法模式的优缺点​

抽象工厂模式​

实现步骤​

代码示例​

抽象工厂模式的类图​

抽象工厂模式的优缺点​

工厂模式的实际应用场景​

1. Java Collection Framework​

2. JDBC连接数据库​

3. Spring框架中的BeanFactory​

4. GUI框架中的按钮创建​

5. 日志记录器的创建​

工厂模式的选择建议​

总结​

练习题​

附加资源​

什么是工厂模式？

工厂模式的分类

简单工厂模式

实现步骤

代码示例

简单工厂模式的优缺点

工厂方法模式

实现步骤

代码示例

工厂方法模式的类图

工厂方法模式的优缺点

抽象工厂模式

实现步骤

代码示例

抽象工厂模式的类图

抽象工厂模式的优缺点

工厂模式的实际应用场景

1. Java Collection Framework

2. JDBC连接数据库

3. Spring框架中的BeanFactory

4. GUI框架中的按钮创建

5. 日志记录器的创建

工厂模式的选择建议

总结

练习题

附加资源