设计模式之工厂模式

设计模式
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设计模式之工厂模式

简单工厂模式

简单工厂模式 ( Simple Factory Pattern ) 是指由一个工厂对象决定创建出哪一种产品类的实例 ，但它不属于 GoF 23 种设计模式，在 GoF 的《设计模式》一书中，它将简单工厂模式看作是工厂方法模式的一种特例，所以工厂模式只被分成了工厂方法和抽象工厂两类。简单工厂适用于工厂类负责创建的对象较少的场景，目客户端只需要传入工厂类的参数，对于如何创建对象的逻辑不需要关心。

示例1

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public class RuleConfigParserFactory {
  public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
    IRuleConfigParser parser = null;
    if ("json".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new JsonRuleConfigParser();
    } else if ("xml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new XmlRuleConfigParser();
    } else if ("yaml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new YamlRuleConfigParser();
    } else if ("properties".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new PropertiesRuleConfigParser();
    }
    return parser;
  }
}

传入文件格式，根据文件格式创建对应的文件格式解析器

如果 parser 可以复用，为了节省内存和对象创建的时间，可以将 parser 事先创建好缓存起来。当调用 createParser() 函数的时候，从缓存中取出 parser 对象直接使用。

示例2

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public class RuleConfigParserFactory {
  private static final Map<String, RuleConfigParser> cachedParsers = new HashMap<>();

  static {
    cachedParsers.put("json", new JsonRuleConfigParser());
    cachedParsers.put("xml", new XmlRuleConfigParser());
    cachedParsers.put("yaml", new YamlRuleConfigParser());
    cachedParsers.put("properties", new PropertiesRuleConfigParser());
  }

  public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
    if (configFormat == null || configFormat.isEmpty()) {
      return null;//返回null还是IllegalArgumentException全凭你自己说了算
    }
    IRuleConfigParser parser = cachedParsers.get(configFormat.toLowerCase());
    return parser;
  }
}

简单工厂模式在JDK源码也是无处不在，来举个例子，例如Calendar类，看Calendar.getlnstance方法，下面打开的是Calendar的具体创建类：

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public static Calendar getInstance()
{
    return createCalendar(TimeZone.getDefault(), Locale.getDefault(Locale.Category.FORMAT));
}


private static Calendar createCalendar(TimeZone zone,
                                       Locale aLocale)
{
    CalendarProvider provider =
        LocaleProviderAdapter.getAdapter(CalendarProvider.class, aLocale)
                             .getCalendarProvider();
    if (provider != null) {
        try {
            return provider.getInstance(zone, aLocale);
        } catch (IllegalArgumentException iae) {
            // fall back to the default instantiation
        }
    }

    Calendar cal = null;

    if (aLocale.hasExtensions()) {
        String caltype = aLocale.getUnicodeLocaleType("ca");
        if (caltype != null) {
            switch (caltype) {
            case "buddhist":
            cal = new BuddhistCalendar(zone, aLocale);
                break;
            case "japanese":
                cal = new JapaneseImperialCalendar(zone, aLocale);
                break;
            case "gregory":
                cal = new GregorianCalendar(zone, aLocale);
                break;
            }
        }
    }
    if (cal == null) {
        // If no known calendar type is explicitly specified,
        // perform the traditional way to create a Calendar:
        // create a BuddhistCalendar for th_TH locale,
        // a JapaneseImperialCalendar for ja_JP_JP locale, or
        // a GregorianCalendar for any other locales.
        // NOTE: The language, country and variant strings are interned.
        if (aLocale.getLanguage() == "th" && aLocale.getCountry() == "TH") {
            cal = new BuddhistCalendar(zone, aLocale);
        } else if (aLocale.getVariant() == "JP" && aLocale.getLanguage() == "ja"
                   && aLocale.getCountry() == "JP") {
            cal = new JapaneseImperialCalendar(zone, aLocale);
        } else {
            cal = new GregorianCalendar(zone, aLocale);
        }
    }
    return cal;
}

简单工厂也有它的缺点：工厂类的职责相对过重，不易于扩展过于复杂的产品结构。

工厂方法模式

工厂方法模式（Fatory Method Pattern）是指定义一个创建对象的接口，但让实现这个接口的类来决定实例化哪个类，工厂方法让类的实例化推迟到子类中进行。在工厂方法模式中用户只需要关心所需产品对应的工厂，无须关心创建细节，而且加入新的产品符合开闭原则。

将上述示例用工厂方法模式

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public interface IRuleConfigParserFactory {
  IRuleConfigParser createParser();
}

public class JsonRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new JsonRuleConfigParser();
  }
}

public class XmlRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new XmlRuleConfigParser();
  }
}

public class YamlRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new YamlRuleConfigParser();
  }
}

public class PropertiesRuleConfigParserFactory implements IRuleConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createParser() {
    return new PropertiesRuleConfigParser();
  }
}

这是工厂方法模式的典型代码实现。当新增一种 parser 的时候，只需要新增一个实现了 IRuleConfigParserFactory 接口的 Factory 类即可。所以，工厂方法模式比起简单工厂模式更加符合开闭原则。

看似很完美，但是实际上存在挺大的问题。问题存在于这些工厂类的使用上。如何用这些工厂类来实现 RuleConfigSource 的 load() 函数。具体的代码如下所示：

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public class RuleConfigSource {
  public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
    String ruleConfigFileExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);

    IRuleConfigParserFactory parserFactory = null;
    if ("json".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parserFactory = new JsonRuleConfigParserFactory();
    } else if ("xml".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parserFactory = new XmlRuleConfigParserFactory();
    } else if ("yaml".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parserFactory = new YamlRuleConfigParserFactory();
    } else if ("properties".equalsIgnoreCase(ruleConfigFileExtension)) {
      parserFactory = new PropertiesRuleConfigParserFactory();
    } else {
      throw new InvalidRuleConfigException("Rule config file format is not supported: " + ruleConfigFilePath);
    }
    IRuleConfigParser parser = parserFactory.createParser();

    String configText = "";
    //从ruleConfigFilePath文件中读取配置文本到configText中
    RuleConfig ruleConfig = parser.parse(configText);
    return ruleConfig;
  }

  private String getFileExtension(String filePath) {
    //...解析文件名获取扩展名，比如rule.json，返回json
    return "json";
  }
}

从上面的代码实现来看，工厂类对象的创建逻辑又耦合进了 load() 函数中，引入工厂方法非但没有解决问题，反倒让设计变得更加复杂了。

要解决这个问题呢？可以为工厂类再创建一个简单工厂，也就是工厂的工厂，用来创建工厂类对象。RuleConfigParserFactoryMap 类是创建工厂对象的工厂类，getParserFactory() 返回的是缓存好的单例工厂对象。

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public class RuleConfigSource {
  public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
    String ruleConfigFileExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);

    IRuleConfigParserFactory parserFactory = RuleConfigParserFactoryMap.getParserFactory(ruleConfigFileExtension);
    if (parserFactory == null) {
      throw new InvalidRuleConfigException("Rule config file format is not supported: " + ruleConfigFilePath);
    }
    IRuleConfigParser parser = parserFactory.createParser();

    String configText = "";
    //从ruleConfigFilePath文件中读取配置文本到configText中
    RuleConfig ruleConfig = parser.parse(configText);
    return ruleConfig;
  }

  private String getFileExtension(String filePath) {
    //...解析文件名获取扩展名，比如rule.json，返回json
    return "json";
  }
}

//因为工厂类只包含方法，不包含成员变量，完全可以复用，
//不需要每次都创建新的工厂类对象，所以，简单工厂模式的第二种实现思路更加合适。
public class RuleConfigParserFactoryMap { //工厂的工厂
  private static final Map<String, IRuleConfigParserFactory> cachedFactories = new HashMap<>();

  static {
    cachedFactories.put("json", new JsonRuleConfigParserFactory());
    cachedFactories.put("xml", new XmlRuleConfigParserFactory());
    cachedFactories.put("yaml", new YamlRuleConfigParserFactory());
    cachedFactories.put("properties", new PropertiesRuleConfigParserFactory());
  }

  public static IRuleConfigParserFactory getParserFactory(String type) {
    if (type == null || type.isEmpty()) {
      return null;
    }
    IRuleConfigParserFactory parserFactory = cachedFactories.get(type.toLowerCase());
    return parserFactory;
  }
}

当需要添加新的规则配置解析器的时候，只需要创建新的 parser 类和 parser factory 类，并且在 RuleConfigParserFactoryMap 类中，将新的 parser factory 对象添加到 cachedFactories 中即可。代码的改动非常少，基本上符合开闭原则。

工厂方法适用于以下场景：

1、创建对象需要大量重复的代码。

2、客户端（应用层）不依赖于产品类实例如何被创建、实现等细节。

3、一个类通过其子类来指定创建哪个对象。

工厂方法也有缺点：

1、类的个数容易过多，增加复杂度。

2、增加了系统的抽象性和理解难度。

那什么时候该用工厂方法模式，而非简单工厂模式呢？

对于规则配置文件解析这个应用场景来说，工厂模式需要额外创建诸多 Factory 类，也会增加代码的复杂性，而且，每个 Factory 类只是做简单的 new 操作，功能非常单薄（只有一行代码），也没必要设计成独立的类，所以，在这个应用场景下，简单工厂模式简单好用，比工厂方法模式更加合适。

将某个代码块剥离出来，独立为函数或者类，原因是这个代码块的逻辑过于复杂，剥离之后能让代码更加清晰，更加可读、可维护。但是，如果代码块本身并不复杂，就几行代码而已，完全没必要将它拆分成单独的函数或者类。

基于这个设计思想，当对象的创建逻辑比较复杂，不只是简单的 new 一下就可以，而是要组合其他类对象，做各种初始化操作的时候，推荐使用工厂方法模式，将复杂的创建逻辑拆分到多个工厂类中，让每个工厂类都不至于过于复杂。

而使用简单工厂模式，将所有的创建逻辑都放到一个工厂类中，会导致这个工厂类变得很复杂。除此之外，在某些场景下，如果对象不可复用，那工厂类每次都要返回不同的对象。如果我们使用简单工厂模式来实现，就只能选择第一种包含 if 分支逻辑的实现方式。如果想避免烦人的 if-else 分支逻辑，这个时候，推荐使用工厂方法模式。

抽象工厂

抽象工厂模式（Abastract Factory Pattern）是指提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，无须指定他们具体的类。客户端（应用层）不依赖于产品类实例如何被创建、实现等细节，强调的是一系列相关的产品对象（属于同一产品族）一起使用创建对象需要大量重复的代码。需要提供一个产品类的库，所有的产品以同样的接口出现，从而使客户端不依赖于具体实现。

在简单工厂和工厂方法中，类只有一种分类方式。比如，在规则配置解析例子中，解析器类只会根据配置文件格式（Json、Xml、Yaml……）来分类。但是，如果类有两种分类方式，比如，既可以按照配置文件格式来分类，也可以按照解析的对象（Rule 规则配置还是 System 系统配置）来分类，那就会对应下面这 8 个 parser 类。

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针对规则配置的解析器：基于接口IRuleConfigParser
JsonRuleConfigParser
XmlRuleConfigParser
YamlRuleConfigParser
PropertiesRuleConfigParser

针对系统配置的解析器：基于接口ISystemConfigParser
JsonSystemConfigParser
XmlSystemConfigParser
YamlSystemConfigParser
PropertiesSystemConfigParser

针对这种特殊的场景，如果还是继续用工厂方法来实现的话，要针对每个 parser 都编写一个工厂类，也就是要编写 8 个工厂类。如果未来还需要增加针对业务配置的解析器（比如 IBizConfigParser），那就要再对应地增加 4 个工厂类。过多的类也会让系统难维护。

这个问题该怎么解决呢？抽象工厂就是针对这种非常特殊的场景而诞生的。可以让一个工厂负责创建多个不同类型的对象（IRuleConfigParser、ISystemConfigParser 等），而不是只创建一种 parser 对象。这样就可以有效地减少工厂类的个数。具体的代码实现如下所示：

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public interface IConfigParserFactory {
  IRuleConfigParser createRuleParser();
  ISystemConfigParser createSystemParser();
  //此处可以扩展新的parser类型，比如IBizConfigParser
}

public class JsonConfigParserFactory implements IConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createRuleParser() {
    return new JsonRuleConfigParser();
  }

  @Override
  public ISystemConfigParser createSystemParser() {
    return new JsonSystemConfigParser();
  }
}

public class XmlConfigParserFactory implements IConfigParserFactory {
  @Override
  public IRuleConfigParser createRuleParser() {
    return new XmlRuleConfigParser();
  }

  @Override
  public ISystemConfigParser createSystemParser() {
    return new XmlSystemConfigParser();
  }
}

// 省略YamlConfigParserFactory和PropertiesConfigParserFactory代码

如果我们再继续扩展解析类别，那么代码从抽象工厂，到具体工厂要全部调整，很显然不符合开闭原则。因此抽象工厂也是有缺点的：

1、规定了所有可能被创建的产品集合，产品族中扩展新的产品困难，需要修改抽象工厂的接口。

2、增加了系统的抽象性和理解难度。

但在实际应用中，千万不能犯强迫症甚至有洁癖。在实际需求中产品等级结构升级是非常正常的一件事情。可以根据实际情况，只要不是频繁升级，可以不遵循开闭原则。代码每半年升级一次或者每年升级一次又有何不可呢？

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