【java设计模式】之 工厂（Factory）模式

1.工厂模式的定义

工厂模式使用的频率非常高，我们在开发中总能见到它们的身影。其定义为：Define an interface for creating an object, but let subclasses decide which class to instantiate. Factory Method lets a class defer instantiation to subclasses.即定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。工厂方法使一个类的实例化延迟到其子类。工厂方法模式的通用类图如下所示：

如图所示，Product抽象类负责定义产品的共性，实现对事物最抽象的定义，Creator为抽象工厂类，具体如何创建产品类由具体的实现工厂ConcreteCreator来完成。我们来看一下通用的模板代码：

public abstract class Product {  

    public void method() { //产品类的公共方法，已经实现
        //实现了公共的逻辑
    }  

    public abstract void method2(); //非公共方法，需要子类具体实现
}  

具体产品类可以有多个，都继承与抽象类Product，如下：

public class ConcreateProduct1 extends Product {  

    @Override
    public void method2() {
        //product1的业务逻辑
    }
}
public class ConcreateProduct2 extends Product {  

    @Override
    public void method2() {
        //product2的业务逻辑
    }
}  

抽象工厂类负责定义产品对象的产生，代码如下：

public abstract class Creator {
    //创建一个产品对象，其输入参数类型可以自行设置
    public abstract <T extends Product> T createProduct(Class<T> clazz);
}  

这里用的是泛型，传入的对象必须是Product抽象类的实现类。具体如何产生一个产品的对象，是由具体工厂类实现的，具体工厂类继承这个抽象工厂类：

public class ConcreteCreator extends Creator {  

    @Override
    public <T extends Product> T createProduct(Class<T> clazz) {
        Product product = null;
        try {
            product = (Product) Class.forName(clazz.getName()).newInstance();
        } catch (Exception e) { //异常处理
            e.printStackTrace();
        }
        return (T) product;
    }
}  

通过这样的设计，我们就可以在测试类中随意生产产品了，看下面的测试类：

public class FactoryTest {  

    public static void main(String[] args) {
        Creator factory = new ConcreteCreator();
        Product product1 = factory.createProduct(ConcreteProduct1.class); //通过不同的类创建不同的产品
        Product product2 = factory.createProduct(ConcreteProduct2.class);
         /*
          * 下面继续其他业务处理
          */
     }
}  

下面举个女娲造人的例子阐述一下工厂模式的实际应用。

2.用女蜗造人阐述工厂模式

现在女娲要造人，她要造三种人：白种人、黄种人和黑种人。怎么造呢？她得有个能产生人类的工厂吧（类似于八卦炉的东西），这个工厂得让她生产出不同的人种。每个人都有两个属性：皮肤颜色和说话。那现在我们开始设计女蜗造人的程序，首先我们看一下造人的类图：

抽象接口Human是人类，里面有两个方法，getColor获得皮肤颜色，talk交谈。下面三个具体Human的实现类，分别实现三个人种。根据工厂模式，应该有个抽象工厂，AbstractHumanFactory就担当了这个责任，里面有个抽象方法createHuman，那HumanFactory就是实现类了，实现抽象工厂里的方法。下面我们看看具体实现：

public interface Human {
    public void getColor();//人有不同的颜色
    public void talk(); //人会说话
}  

接下来对Human接口的不同实现：

public class BlackHuman implements Human {// 黑种人  

    @Override
    public void getColor() {
        System.out.println("Black");
    }
    @Override
    public void talk() {
        System.out.println("Black man");
    }
}
public class Human implements Human {   //黄种人  

    @Override
    public void getColor() {
        System.out.println("Yellow");
    }
    @Override
    public void talk() {
        System.out.println("Yellow man");
    }
}
public class WhiteHuman implements Human {//白种人  

    @Override
    public void getColor() {
        System.out.println("White");
    }
    @Override
    public void talk() {
        System.out.println("White man");
    }
}  

好了，人的模子搞好了，现在女娲要开始搭建八卦炉了，于是女娲开始画八卦炉模型了：

public abstract class AbstractHumanFactory{
    public abstract <T extends Human> T createHuman(Class<T> clazz); //注意这里T必须是Human的实现类才行，因为要造Human嘛
}  

然后女娲开始具体实现这个八卦炉了……

public class HumanFactory extends AbstractHumanFactory {  

    @Override
    public <T extends Human> T createHuman(Class<T> clazz) {
        Human human = null;
        try {
            human = (Product) Class.forName(clazz.getName()).newInstance();
        } catch (Exception e) { //异常处理
            System.out.println("人种产生错误");
        }
        return (T) human;
    }
}  

好，现在人种也有了，八卦炉也有了，剩下的就是采集黄土，然后命令八卦炉开始生产了：

public class FactoryTest {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractHumanFactory bagualu = new HunmanFactory();
        Human blackMan = bagualu.createHuman(BlackHuman.class); //黑人诞生了
        Human yellowMan = bagualu.createHuman(YelloHuman.class); //黄人诞生了
        Human whiteMan = bagualu.createHuman(WhiteHuman.class); //白人诞生了
      }
}  

女娲就是这么把人造出来的……这就是工厂模式！

3.工厂模式的扩展

3.1 静态工厂模式

我们还用上面女娲造人的例子说明，现在女娲在思考一个问题：我现在只需要一个工厂就可以把人生产出来，我干嘛要具体的工厂对象呢？我只要使用静态方法就好了。这样一想，于是女娲就开始把AbstractHumanFactory抽象类去掉了，只保留了HumanFactory类，同时把createHuman方法设置成了static类型，搞定！

public class HumanFactory {  

    @Override
    public static <T extends Human> T createHuman(Class<T> clazz) {
        Human human = null;
        try {
            human = (Product) Class.forName(clazz.getName()).newInstance();
        } catch (Exception e) { //异常处理
            System.out.println("人种产生错误");
        }
        return (T) human;
    }
}  

然后女娲造人的时候就不用new什么八卦炉了，直接用HumanFactory类调用就行了：

Human blackMan = HumanFactory.createHuman(BlackHuman.class);  

这就是静态工厂模式，在实际项目中，根据需求可以设置成静态工厂类，但是缺点是扩展比较困难，如果就一个工厂，不需要扩展，可以这么设计，仍然是很常用的。

3.2 多个工厂模式

我们还以女娲造人为例，后来女娲想了想，，这人不可能就说话吧，还得有不同的属性杀的，如果在一个八卦炉里造，除了new一个人外，还得对不同的人设置不同的属性，这样的话，八卦炉有点吃不消阿……又有点乱啊……但是她想到了一个法子，每个人种弄个八卦炉，不同的八卦炉专门生产不同的人种，这样就结构清晰了，她在造人的时候自己选择与哪个八卦炉相关联就行了。示意图如下：

这样的话AbstractHumanFactory抽象类我们就要改写了：

public abstract class AbstractHumanFactory {
    public abstract Human createHuman();
}  

注意抽象方法中已经不需要再传递相关类的参数了，因为每个具体的工厂都已经非常明确自己的职责：创建自己负责的产品类对象。所以不同的工厂实现自己的createHuman方法即可：

public class BlackHumanFactory extends AbstractHumanFactory {
    public Human createHuman() {
        return new BlackHuman();
    }
}
public class YellowHumanFactory extends AbstractHumanFactory {
    public Human createHuman() {
        return new YellowHuman();
    }
}
public class WhiteHumanFactory extends AbstractHumanFactory {
    public Human createHuman() {
        return new WhiteHuman();
    }
}  

这样三个不同的工厂就产生了，每个工厂对应只生产自己对应的人种。所以现在女娲造人就可以不用一个八卦炉了，分工协作，各不影响了！

public class FactoryTest {
    public static void main(String[] args) {
        Human blackMan = new BlackHumanFactory().createHuman(); //黑人诞生了
        Human yellowMan = new YellowHumanFactory().createHuman(); //黄人诞生了
        Human whiteMan = new WhiteHumanFactory().createHuman(); //白人诞生了
      }
}  

这种工厂模式的好处是职责清晰，结构简单，但是给扩扩展性和可维护性带来了一定的影响，因为如果要扩展一个产品类，就需要建立一个相应的工厂类，这样就增加了扩展的难度。因为工厂类和产品类的数量是相同的，维护时也需要考虑两个对象之间的关系。但是这种模式还是很常用的。

3.3 替代单例模式

上一章介绍了单例模式，并且指出了单例和多例的一些缺点，但是我们是不是可以采用工厂模式来实现一个单例模式的功能呢？答案是肯定的，单例模式的核心要求就是在内存中只有一个对象，通过工厂方法模式也可以只在内存中生产一个对象。见下面：

Singleton类定义了一个private的无参构造方法，目的是不允许通过new的方式创建对象，另外，Singleton类也不自己定义一个Singleton对象了，因为它要通过工厂来获得。

public class Singleton {
    private Singleton() {  

    }
    public void doSomething() {
        //业务处理
    }
}  

既然Singleton不能通过正常的渠道建立一个对象，那SingletonFactory如何建立一个单例对象呢？答案是通过反射方式创建：

public class SingletonFactory {
    private static Singleton instance;
    static {
        try {
            Class clazz = Class.forName(Singleton.class.getName());
            //获取无参构造方法
            Constructor constructor = clazz.getDeclaredConstructor();
            //设置无参构造方法可访问
            constructor.setAccessible(true);
            //产生一个实例对象
            instance = (Singleton) constructor.newInstance();
        } catch (Exception e) {
            //异常处理
        }
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}  

以上通过工厂方法模式创建了一个单例对象，该框架可以继续扩展，在一个项目中可以产生一个单例构造器，所有需要产生单例的类都遵循一定的规则（构造方法是private），然后通过扩展该框架，只要输入一个类型就可以获得唯一的一个实例。

3.4 延迟初始化

何为延迟初始化（Lazy initialization）？即一个对象被使用完毕后，并不立刻释放，工厂类保持其初始状态，等待再次被使用。延迟初始化是工厂模式的一个扩展应用，其通用类表示如下：

ProductFactory负责产品类对象的创建工作，并且通过prMap变量产生一个缓存，对需要再次被重用的对象保留：

public class ProductFactory {
    private static final Map<String, Product> prMap = new HashMap();
    public static synchronized Product createProduct(String type) throws Exception {
        Product product = null;
        //如果Map中已经有这个对象
        if(prMap.containsKey(type)) {
            product = prMap.get(type);
        } else {
            if(type.equals("Product1")) {
                product = new ConcreteProduct1();
            }
            else {
                product = new ConcreteProduct2();
            }
            prMap.put(type, product);
        }
        return product;
    }  

代码比较简单，通过定义一个Map容器，容纳所有产生的对象，每次在new一个对象的时候先判断Map中有没有，有就不用再new了，直接取。另外，每次new过一个对象后，也将其放入Map中方便下次调用。

延迟加载时很有用的，比如JDBC连接数据库，会要求设置一个MaxConnections最大连接数量，该数量就是内存中最大实例化的数量。

4. 工厂模式的应用

优点：

1. 工厂模式具有良好的封装性，代码结构清晰，也有利于扩展。在增加产品类的情况下，只需要适当地修改具体的工厂类或扩展一个工厂类，就可以完成“拥抱变化”。

2. 工厂模式可以屏蔽产品类。这一点非常重要，产品类的实现如何变化，调用者都不用关系，只需要关心产品的接口，只要接口保持不变，系统的上层模块就不需要发生变化。

3. 工厂模式是典型的解耦框架。高层模块只需要知道产品的抽象类，其他的实现类都不用关心。

工厂模式就介绍这么多吧，如果错误之处，欢迎留言指正~