工厂方法设计模式【Factory Method 模式】

      在现实生活中社会分工越来越细，越来越专业化。各种产品有专门的工厂生产，彻底告别了自给自足的小农经济时代，这大大缩短了产品的生产周期，提高了生产效率。同样，在软件开发中能否做到软件对象的生产和使用相分离呢？能否在满足“开闭原则”的前提下，客户随意增删或改变对软件相关对象的使用呢？这就是本节要讨论的问题。

模式的定义与特点

      工厂方法（FactoryMethod）模式的定义：定义一个创建产品对象的工厂接口，将产品对象的实际创建工作推迟到具体子工厂类当中。这满足创建型模式中所要求的“创建与使用相分离”的特点。

我们把被创建的对象称为“产品”，把创建产品的对象称为“工厂”。如果要创建的产品不多，只要一个工厂类就可以完成，这种模式叫“简单工厂模式”，它不属于 GoF 的 23 种经典设计模式，它的缺点是增加新产品时会违背“开闭原则”。

本节介绍的“工厂方法模式”是对简单工厂模式的进一步抽象化，其好处是可以使系统在不修改原来代码的情况下引进新的产品，即满足开闭原则。

      工厂方法模式的主要优点有：

• 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品，无须知道产品的具体创建过程；

• 在系统增加新的产品时只需要添加具体产品类和对应的具体工厂类，无须对原工厂进行任何修改，满足开闭原则；

      其缺点是：每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类，这增加了系统的复杂度。

模式的结构与实现

      工厂方法模式由抽象工厂、具体工厂、抽象产品和具体产品等4个要素构成。本节来分析其基本结构和实现方法。

1. 模式的结构

      工厂方法模式的主要角色如下。

1. 抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，调用者通过它访问具体工厂的工厂方法 newProduct() 来创建产品。

2. 具体工厂（ConcreteFactory）：主要是实现抽象工厂中的抽象方法，完成具体产品的创建。

3. 抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。

4. 具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间一一对应。

其结构图如图 1 所示。

2. 模式的实现

根据图 1 写出该模式的代码如下：

package FactoryMethod;
public class AbstractFactoryTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        try
        {
            Product a;
            AbstractFactory af;
            af=(AbstractFactory) ReadXML1.getObject();
            a=af.newProduct();
            a.show();
        }
        catch(Exception e)
        {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

//抽象产品：提供了产品的接口
interface Product
{
    public void show();
}

//具体产品1：实现抽象产品中的抽象方法
class ConcreteProduct1 implements Product
{
    public void show()
    {
        System.out.println("具体产品1显示...");
    }
}

//具体产品2：实现抽象产品中的抽象方法
class ConcreteProduct2 implements Product
{
    public void show()
    {
        System.out.println("具体产品2显示...");
    }
}

//抽象工厂：提供了厂品的生成方法
interface AbstractFactory
{
    public Product newProduct();
}

//具体工厂1：实现了厂品的生成方法
class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory
{
    public Product newProduct()
    {
        System.out.println("具体工厂1生成-->具体产品1...");
        return new ConcreteProduct1();
    }
}

//具体工厂2：实现了厂品的生成方法
class ConcreteFactory2 implements AbstractFactory
{
    public Product newProduct()
    {
        System.out.println("具体工厂2生成-->具体产品2...");
        return new ConcreteProduct2();
    }
}

package FactoryMethod;
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import java.io.*;
class ReadXML1
{
    //该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象
    public static Object getObject()
    {
        try
        {
            //创建文档对象
            DocumentBuilderFactory dFactory=DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder=dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;                           
            doc=builder.parse(new File("src/FactoryMethod/config1.xml"));        
            //获取包含类名的文本节点
            NodeList nl=doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();
            String cName="FactoryMethod."+classNode.getNodeValue();
            //System.out.println("新类名："+cName);
            //通过类名生成实例对象并将其返回
            Class<?> c=Class.forName(cName);
              Object obj=c.newInstance();
            return obj;
         }  
         catch(Exception e)
         {
                   e.printStackTrace();
                   return null;
         }
    }
}

注意：该程序中用到了 XML 文件，如果想要获取该文件，请点击“下载”，就可以对其进行下载。

程序运行结果如下：

具体工厂1生成-->具体产品1...
具体产品1显示...

如果将 XML 配置文件中的 ConcreteFactory1 改为 ConcreteFactory2，则程序运行结果如下：

具体工厂2生成-->具体产品2...
具体产品2显示...

模式的应用实例

【例1】用工厂方法模式设计畜牧场。

      分析：有很多种类的畜牧场，如养马场用于养马，养牛场用于养牛，所以该实例用工厂方法模式比较适合。

对养马场和养牛场等具体工厂类，只要定义一个生成动物的方法 newAnimal() 即可。由于要显示马类和牛类等具体产品类的图像，所以它们的构造函数中用到了 JPanel、JLabd 和 ImageIcon 等组件，并定义一个 show() 方法来显示它们。

客户端程序通过对象生成器类 ReadXML2 读取 XML 配置文件中的数据来决定养马还是养牛。其结构图如图 2 所示。

注意：该程序中用到了 XML 文件，并且要显示马类和牛类等具体产品类的图像，如果想要获取 HTML 文件和图片，请点击“下载”，就可以对其进行下载。

程序代码如下：

package FactoryMethod;
import java.awt.*;
import javax.swing.*;
public class AnimalFarmTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        try
        {
            Animal a;
            AnimalFarm af;
            af=(AnimalFarm) ReadXML2.getObject();
            a=af.newAnimal();
            a.show();
        }
        catch(Exception e)
        {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

//抽象产品：动物类
interface Animal
{
    public void show();
}

//具体产品：马类
class Horse implements Animal
{
    JScrollPane sp;
    JFrame jf=new JFrame("工厂方法模式测试");
    public Horse()
    {
        Container contentPane=jf.getContentPane();
        JPanel p1=new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1,1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("动物：马"));
        sp=new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1=new JLabel(new ImageIcon("src/A_Horse.jpg"));
        p1.add(l1);       
        jf.pack();       
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);    //用户点击窗口关闭 
    }
    public void show()
    {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//具体产品：牛类
class Cattle implements Animal
{
    JScrollPane sp;
    JFrame jf=new JFrame("工厂方法模式测试");
    public Cattle()
    {
        Container contentPane=jf.getContentPane();
        JPanel p1=new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1,1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("动物：牛"));
        sp=new JScrollPane(p1);
        contentPane.add(sp,BorderLayout.CENTER);
        JLabel l1=new JLabel(new ImageIcon("src/A_Cattle.jpg"));
        p1.add(l1);       
        jf.pack();       
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);    //用户点击窗口关闭 
    }
    public void show()
    {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//抽象工厂：畜牧场
interface AnimalFarm
{
    public Animal newAnimal();
}

//具体工厂：养马场
class HorseFarm implements AnimalFarm
{
    public Animal newAnimal()
    {
        System.out.println("新马出生！");
        return new Horse();
    }
}

//具体工厂：养牛场
class CattleFarm implements AnimalFarm
{
    public Animal newAnimal()
    {
        System.out.println("新牛出生！");
        return new Cattle();
    }
}

package FactoryMethod;
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import java.io.*;
class ReadXML2
{
    public static Object getObject()
    {
        try
        {
            DocumentBuilderFactory dFactory=DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder=dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;                           
            doc=builder.parse(new File("src/FactoryMethod/config2.xml"));
            NodeList nl=doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();
            String cName="FactoryMethod."+classNode.getNodeValue();
            System.out.println("新类名："+cName);
            Class<?> c=Class.forName(cName);
              Object obj=c.newInstance();
            return obj;
        }  
        catch(Exception e)
        {
               e.printStackTrace();
               return null;
        }
    }
}

程序的运行结果如图 3 所示。

模式的应用场景

工厂方法模式通常适用于以下场景。

• 客户只知道创建产品的工厂名，而不知道具体的产品名。如 TCL 电视工厂、海信电视工厂等。

• 创建对象的任务由多个具体子工厂中的某一个完成，而抽象工厂只提供创建产品的接口。

• 客户不关心创建产品的细节，只关心产品的品牌。

模式的扩展

当需要生成的产品不多且不会增加，一个具体工厂类就可以完成任务时，可删除抽象工厂类。这时工厂方法模式将退化到简单工厂模式，其结构图如图 4 所示。