工厂模式

工厂模式（Factory Pattern）是 Java 中最常用的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

• 在工厂模式中，我们在创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑，并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象。

《设计模式》一书中，工厂模式被分为了三种：简单工厂、工厂方法和抽象工厂。（不过，在书中作者将简单工厂模式看作是工厂方法模式的一种特例。）

接下来我会介绍三种工厂模式的原理及使用

• 简单工厂模式（不属于GOF的23种经典设计模式）
• 工厂方法模式
• 抽象工厂模式

1. 需求：模拟发放奖品业务

需求: 为了让我们的案例更加贴近实际开发, 这里我们来模拟一下互联网电商中促销拉新下的业务场景, 新用户注册立即参与抽奖活动 ,奖品的种类有: 打折券, 免费优酷会员,小礼品.

1.1 原始开发方式

不考虑设计原则,不使用设计模式的方式进行开发

在不考虑任何代码的可扩展性的前提下,只为了尽快满足需求.我们可以这样去设计这个业务的代码结构:

1) 实体类

名称	描述
AwardInfo	获奖信息对应实体类
DiscountInfo	打折券信息对应实体类
YouKuMember	优酷会员对应实体类
SmallGiftInfo	小礼品信息对应实体类
DiscountResult	打折券操作响应结果封装类

public class AwardInfo {

    private String uid; //用户唯一ID

    private Integer awardType; //奖品类型: 1 打折券 ,2 优酷会员,3 小礼品

    private String awardNumber; //奖品编号

    Map<String, String> extMap; //额外信息
    
}

public class DiscountInfo {

    //属性信息省略......
}

public class YouKuMember {

    //属性信息省略......
}

public class SmallGiftInfo {

    private String userName;              // 用户姓名
    private String userPhone;             // 用户手机
    private String orderId;               // 订单ID
    private String relAddress;            // 收货地址
    
}

public class DiscountResult {

    private String status; // 状态码
    private String message; // 信息
}

2) 服务层

名称	功能	描述
DiscountService	DiscountResult sendDiscount(String uid,String number)	模拟打折券服务
YouKuMemberService	void openMember(String bindMobile , String number)	模拟赠送优酷会员服务
SmallGiftService	Boolean giveSmallGift(SmallGiftInfo smallGiftInfo)	模拟礼品服务

public class DiscountService {

    public DiscountResult sendDiscount(String uid, String number){

        System.out.println("向用户发放打折券一张: " + uid + " , " + number);
        return new DiscountResult("200","发放打折券成功");
    }
}

public class YouKuMemberService {

    public void openMember(String bindMobile , String number){

        System.out.println("发放优酷会员: " + bindMobile + " , " + number);
    }
}

public class SmallGiftService {

    public Boolean giveSmallGift(SmallGiftInfo smallGiftInfo){

        System.out.println("小礼品已发货,获奖用户注意查收! " + JSON.toJSON(smallGiftInfo));
        return true;
    }
}

3) 控制层

名称	功能	描述
DeliverController	ResponseResult awardToUser(AwardInfo awardInfo)	按照类型的不同发放商品 奖品类型: 1 打折券 ,2 优酷会员,3 小礼品

public class DeliverController {

    /**
     * 按照类型的不同发放商品
     *     奖品类型: 1 打折券 ,2 优酷会员,3 小礼品
     */
    public void awardToUser(AwardInfo awardInfo){

        if(awardInfo.getAwardType() == 1){ //打折券
            DiscountService discountService = new DiscountService();
            DiscountResult result = discountService.sendDiscount(awardInfo.getUid(), awardInfo.getAwardNumber());
            System.out.println("打折券发放成功!"+ JSON.toJSON(result));

        }else if(awardInfo.getAwardType() == 2){ //优酷会员
            //获取用户手机号
            String bindMobile = awardInfo.getExtMap().get("phone");

            //调用service
            YouKuMemberService youKuMemberService = new YouKuMemberService();
            youKuMemberService.openMember(bindMobile,awardInfo.getAwardNumber());
            System.out.println("优酷会员发放成功!");

        }else if(awardInfo.getAwardType() == 3){ /*
            小礼品
            封装收货用户信息
            */
            SmallGiftInfo smallGiftInfo = new SmallGiftInfo();
            smallGiftInfo.setUserName(awardInfo.getExtMap().get("username"));
            smallGiftInfo.setOrderId(UUID.randomUUID().toString());
            smallGiftInfo.setRelAddress(awardInfo.getExtMap().get("adderss"));

            SmallGiftService smallGiftService = new SmallGiftService();
            Boolean isSuccess = smallGiftService.giveSmallGift(smallGiftInfo);
            System.out.println("小礼品发放成功!" + isSuccess);
        }
    }

}

4) 测试

通过单元测试,来对上面的接口进行测试,验证代码质量.

public class TestApi01 {

    //测试发放奖品接口
    @Test
    public void test01(){

        DeliverController deliverController = new DeliverController();

        //1. 发放打折券优惠
        AwardInfo info1 = new AwardInfo();
        info1.setUid("1001");
        info1.setAwardType(1);
        info1.setAwardNumber("DEL12345");

        deliverController.awardToUser(info1);


        //2. 发放优酷会员
        AwardInfo info2 = new AwardInfo();
        info2.setUid("1002");
        info2.setAwardType(2);
        info2.setAwardNumber("DW12345");
        Map<String,String> map = new HashMap<>();
        map.put("phone","13512341234");
        info2.setExtMap(map);

        deliverController.awardToUser(info2);



        //2. 发放小礼品
        AwardInfo info3 = new AwardInfo();
        info3.setUid("1003");
        info3.setAwardType(3);
        info3.setAwardNumber("SM12345");
        Map<String,String> map2 = new HashMap<>();
        map2.put("username","大远");
        map2.put("phone","13512341234");
        map2.put("address","北京天安门");
        info3.setExtMap(map2);

        deliverController.awardToUser(info3);
    }
}

对于上面的实现方式,如果我们有想要添加的新的奖品时,势必要改动DeliverController的代码,违反开闭原则.而且如果有的抽奖接口出现问题,那么对其进行重构的成本会非常高.

除此之外代码中有一组if分支判断逻辑,现在看起来还可以,但是如果经历几次迭代和拓展,后续ifelse肯定还会增加.到时候接手这段代码的研发将会十分痛苦.

2. 简单工厂模式

简单工厂不是一种设计模式，反而比较像是一种编程习惯。简单工厂模式又叫做静态工厂方法模式（static Factory Method pattern）,它是通过使用静态方法接收不同的参数来返回不同的实例对象.

实现方式:

​ 定义一个工厂类，根据传入的参数不同返回不同的实例，被创建的实例具有共同的父类或接口。

适用场景： 　　（1）需要创建的对象较少。 　　（2）客户端不关心对象的创建过程。

2.1 简单工厂原理

简单工厂包含如下角色：

• 抽象产品 ：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。
• 具体产品 ：实现或者继承抽象产品的子类
• 具体工厂 ：提供了创建产品的方法，调用者通过该方法来获取产品。

2.2 简单工厂模式重构代码

1) service

/**
 * 免费商品发放接口
 **/
public interface IFreeGoods {

    ResponseResult sendFreeGoods(AwardInfo awardInfo);

}

/**
 * 模拟打折券服务
 **/
public class DiscountFreeGoods implements IFreeGoods {

    @Override
    public ResponseResult sendFreeGoods(AwardInfo awardInfo) {

        System.out.println("向用户发放一张打折券: " + awardInfo.getUid() + " , " + awardInfo.getAwardNumber());
        return new ResponseResult("200","打折券发放成功!");
    }
}

/**
 * 小礼品发放服务
 **/
public class SmallGiftFreeGoods implements IFreeGoods {

    @Override
    public ResponseResult sendFreeGoods(AwardInfo awardInfo) {

        SmallGiftInfo smallGiftInfo = new SmallGiftInfo();
        smallGiftInfo.setUserPhone(awardInfo.getExtMap().get("phone"));
        smallGiftInfo.setUserName(awardInfo.getExtMap().get("username"));
        smallGiftInfo.setAddress(awardInfo.getExtMap().get("address"));
        smallGiftInfo.setOrderId(UUID.randomUUID().toString());

        System.out.println("小礼品发放成,请注意查收: " + JSON.toJSON(smallGiftInfo));
        return new ResponseResult("200","小礼品发送成功",smallGiftInfo);
    }
}

/**
 * 优酷 会员服务
 **/
public class YouKuMemberFreeGoods implements IFreeGoods {

    @Override
    public ResponseResult sendFreeGoods(AwardInfo awardInfo) {

        String phone = awardInfo.getExtMap().get("phone");
        System.out.println("发放优酷会员成功,绑定手机号: " + phone);
        return new ResponseResult("200","优酷会员发放成功!");
    }
}

2) factory

/**
 * 具体工厂: 生成免费商品
 **/
public class FreeGoodsFactory {

    public static IFreeGoods getInstance(Integer awardType){

        IFreeGoods iFreeGoods = null;

        if(awardType == 1){  //打折券

            iFreeGoods = new DiscountFreeGoods();
        }else if(awardType == 2){ //优酷会员

            iFreeGoods = new YouKuMemberFreeGoods();
        }else if(awardType == 3){ //小礼品

            iFreeGoods = new SmallGiftFreeGoods();
        }

        return iFreeGoods;
    }
}

3）controller

public class DeliverController {

    //发放奖品
    public ResponseResult awardToUser(AwardInfo awardInfo){

        try {
            IFreeGoods freeGoods = FreeGoodsFactory.getInstance(awardInfo.getAwardTypes());
            ResponseResult responseResult = freeGoods.sendFreeGoods(awardInfo);
            return responseResult;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return new ResponseResult("201","奖品发放失败!");
        }
    }
}

4) 测试

通过单元测试,来对上面的接口进行测试,验证代码质量.

public class TestApi02 {

    DeliverController deliverController = new DeliverController();

    @Test
    public void test01(){

        //1. 发放打折券优惠
        AwardInfo info1 = new AwardInfo();
        info1.setUid("1001");
        info1.setAwardTypes(1);
        info1.setAwardNumber("DEL12345");

        ResponseResult result = deliverController.awardToUser(info1);
        System.out.println(result);

    }

    @Test
    public void test02(){

        //2. 发放优酷会员
        AwardInfo info2 = new AwardInfo();
        info2.setUid("1002");
        info2.setAwardTypes(2);
        info2.setAwardNumber("DW12345");
        Map<String,String> map = new HashMap<>();
        map.put("phone","13512341234");
        info2.setExtMap(map);

        ResponseResult result1 = deliverController.awardToUser(info2);
        System.out.println(result1);

    }

    @Test
    public void test03(){

        //3. 发放小礼品
        AwardInfo info3 = new AwardInfo();
        info3.setUid("1003");
        info3.setAwardTypes(3);
        info3.setAwardNumber("SM12345");
        Map<String,String> map2 = new HashMap<>();
        map2.put("username","大远");
        map2.put("phone","13512341234");
        map2.put("address","北京天安门");
        info3.setExtMap(map2);

        ResponseResult result2 = deliverController.awardToUser(info3);
        System.out.println(result2);
    }
}

2.3 简单工厂模式总结

优点：

封装了创建对象的过程，可以通过参数直接获取对象。把对象的创建和业务逻辑层分开，这样以后就避免了修改客户代码，如果要实现新产品直接修改工厂类，而不需要在原代码中修改，这样就降低了客户代码修改的可能性，更加容易扩展。

缺点：

增加新产品时还是需要修改工厂类的代码，违背了“开闭原则”。

3. 工厂方法模式

3.1 工厂方法模式介绍

工厂方法模式 Factory Method pattern,属于创建型模式.

概念: 定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪个产品类对象。工厂方法使一个产品类的实例化延迟到其工厂的子类。

3.2 工厂方法模式原理

工厂方法模式的目的很简单，就是封装对象创建的过程，提升创建对象方法的可复用性。

工厂方法模式的主要角色：

• 抽象工厂：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来创建产品。
• 具体工厂：主要是实现抽象工厂中的抽象方法，完成具体产品的创建。
• 抽象产品：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。
• 具体产品：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。

我们直接来看看工厂方法模式的 UML 图：

3.3 工厂方法模式重构代码

为了提高代码扩展性,我们需要将简单工厂中的if分支逻辑去掉,通过增加抽象工厂(生产工厂的工厂)的方式,让具体工厂去进行实现,由具体工厂来决定实例化哪一个具体的产品对象.

抽象工厂

public interface FreeGoodsFactory {

    IFreeGoods getInstance();
}

具体工厂

public class DiscountFreeGoodsFactory implements FreeGoodsFactory {

    @Override
    public IFreeGoods getInstance() {
        return new DiscountFreeGoods();
    }
}

public class SmallGiftFreeGoodsFactory implements FreeGoodsFactory {
    @Override
    public IFreeGoods getInstance() {

        return new SmallGiftFreeGoods();
    }
}

Controller

public class DeliverController {

    /**
     * 按照类型的不同发放商品
     */
    public ResponseResult awardToUser(AwardInfo awardInfo){

        FreeGoodsFactory freeGoodsFactory = null;

        if(awardInfo.getAwardType() == 1){

            freeGoodsFactory = new DiscountFreeGoodsFactory();
        }else if(awardInfo.getAwardType() == 2){

            freeGoodsFactory = new SmallGiftFreeGoodsFactory();
        }

        IFreeGoods freeGoods = freeGoodsFactory.getInstance();

        System.out.println("=====工厂方法模式========");
        ResponseResult result = freeGoods.sendFreeGoods(awardInfo);

        return result;
    }

}

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 awardToUser() 方法中，跟我们最初的代码版本非常相似,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。

那怎么 来解决这个问题呢？

我们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。

/**
 * 用简单方法模式实现: 工厂的工厂,作用是不需要每次创建新的工厂对象
 **/
public class FreeGoodsFactoryMap {

    private static final Map<Integer,FreeGoodsFactory> cachedFactories = new HashMap<>();

    static{
        cachedFactories.put(1, new DiscountFreeGoodsFactory());
        cachedFactories.put(2, new SmallGiftFreeGoodsFactory());
    }

    public static FreeGoodsFactory getParserFactory(Integer type){
        if(type == 1){
            FreeGoodsFactory freeGoodsFactory = cachedFactories.get(1);
            return freeGoodsFactory;
        }else if(type ==2){
            FreeGoodsFactory freeGoodsFactory = cachedFactories.get(2);
            return freeGoodsFactory;
        }

        return null;
    }
}

Controller

/**
 * 发放奖品接口
 * @author spikeCong
 * @date 2022/9/7
 **/
public class DeliverController {

    /**
     * 按照类型的不同发放商品
     */
    public ResponseResult awardToUser(AwardInfo awardInfo){

        //根据类型获取工厂
        FreeGoodsFactory goodsFactory = FreeGoodsFactoryMap.getParserFactory(awardInfo.getAwardType());

        //从工厂中获取对应实例
        IFreeGoods freeGoods = goodsFactory.getInstance();

        System.out.println("=====工厂方法模式========");
        ResponseResult result = freeGoods.sendFreeGoods(awardInfo);
        return result;
    }
}

现在我们的代码已经基本上符合了开闭原则,当有新增的产品时,我们需要做的事情包括:

1. 创建新的产品类,并且让该产品实现抽象产品接口
2. 创建产品类对应的具体工厂,并让具体工厂实现抽象工厂
3. 将新的具体工厂对象,添加到FreeGoodsFactoryMap的cachedFactories中即可,需要改动的代码改动的非常少.

3.4 工厂方法模式总结

工厂方法模优缺点

优点：

• 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；

缺点：

• 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。

什么时候使用工厂方法模式

• 需要使用很多重复代码创建对象时，比如，DAO 层的数据对象、API 层的 VO 对象等。
• 创建对象要访问外部信息或资源时，比如，读取数据库字段，获取访问授权 token 信息，配置文件等。
• 创建需要统一管理生命周期的对象时，比如，会话信息、用户网页浏览轨迹对象等。
• 创建池化对象时，比如，连接池对象、线程池对象、日志对象等。这些对象的特性是：有限、可重用，使用工厂方法模式可以有效节约资源。
• 希望隐藏对象的真实类型时，比如，不希望使用者知道对象的真实构造函数参数等。

4. 抽象工厂模式

4.1 抽象工厂模式介绍

抽象工厂模式比工厂方法模式的抽象程度更高. 在工厂方法模式中每一个具体工厂只需要生产一种具体产品,但是在抽象工厂模式中一个具体工厂可以生产一组相关的具体产品,这样一组产品被称为产品族.产品族中的每一个产品都分属于某一个产品继承等级结构.

1) 产品等级结构与产品族

为了更好的理解抽象工厂, 我们这里先引入两个概念:

• 产品等级结构 ：产品等级结构即产品的继承结构，如一个抽象类是电视机，其子类有海尔电视机、海信电视机、TCL电视机，则抽象电视机与具体品牌的电视机之间构成了一个产品等级结构，抽象电视机是父类，而具体品牌的电视机是其子类。

• 产品族 ：在抽象工厂模式中，产品族是指由同一个工厂生产的，位于不同产品等级结构中的一组产品，如海尔电器工厂生产的海尔电视机、海尔电冰箱，海尔电视机位于电视机产品等级结构中，海尔电冰箱位于电冰箱产品等级结构中。

在上图中,每一个具体工厂可以生产属于一个产品族的所有产品,例如海尔工厂生产海尔电视机、海尔空调和海尔冰箱,所生产的产品又位于不同的产品等级结构中. 如果使用工厂方法模式,上图所示的结构需要提供9个具体工厂,而使用抽象工厂模式只需要提供3个具体工厂,极大减少了系统中类的个数.

2) 抽象工厂模式概述

抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern) 原始定义：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无须指定它们具体的类。

抽象工厂模式为创建一组对象提供了解决方案.与工厂方法模式相比,抽象工厂模式中的具体工厂不只是创建一种产品,而是负责创建一个产品族.如下图:

4.2 抽象工厂模式原理

在抽象工厂模式中,每一个具体工厂都提供了多个工厂方法,用于产生多种不同类型的产品.这些产品构成了一个产品族.

抽象工厂模式的主要角色如下：

• 抽象工厂（Abstract Factory）：它声明了一种用于创建一族产品的方法,每一个方法对应一种产品.
• 具体工厂（Concrete Factory）：主要是实现抽象工厂中的多个抽象方法，完成具体产品的创建.
• 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，抽象工厂模式有多个抽象产品。
• 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 同具体工厂之间是多对一的关系。

4.3 抽象工厂模式实现

抽象工厂

/**
 * 抽象工厂: 在一个抽象工厂中可以声明多个工厂方法,用于创建不同类型的产品
 * @author spikeCong
 * @date 2022/9/15
 **/
public interface AppliancesFactory {

    AbstractTV createTV();

    AbstractFreezer createFreezer();
}

具体工厂: 每一个具体工厂方法,可以返回一个特定的产品对象,而同一个具体工厂所创建的产品对象构成了一个产品族.

public class HairFactory implements AppliancesFactory {

    @Override
    public AbstractTV createTV() {
        return new HairTV();
    }

    @Override
    public AbstractFreezer createFreezer() {
        return new HairFreezer();
    }
}

public class HisenseFactory implements AppliancesFactory {

    @Override
    public AbstractTV createTV() {
        return new HisenseTV();
    }

    @Override
    public AbstractFreezer createFreezer() {
        return new HisenseFreezer();
    }
}

抽象产品

public interface AbstractFreezer {}
public interface AbstractTV {}

具体产品

public class HairFreezer implements AbstractFreezer {}
public class HisenseFreezer implements AbstractFreezer {}
public class HairTV implements AbstractTV {}
public class HisenseTV implements AbstractTV {}

客户端

public class Client {

    private AbstractTV tv;

    private AbstractFreezer freezer;

    public Client(AppliancesFactory factory){

        //在客户端看来就是使用抽象工厂来生产家电
        this.tv = factory.createTV();
        this.freezer = factory.createFreezer();
    }

    public AbstractTV getTv() {
        return tv;
    }

    public void setTv(AbstractTV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    public AbstractFreezer getFreezer() {
        return freezer;
    }

    public void setFreezer(AbstractFreezer freezer) {
        this.freezer = freezer;
    }

    public static void main(String[] args) {

        Client client = new Client(new HisenseFactory());
        AbstractTV tv = client.getTv();
        System.out.println(tv);

        AbstractFreezer freezer = client.getFreezer();
        System.out.println(freezer);
    }
}

4.4 抽象工厂模式总结

从上面代码实现中我们可以看出，抽象工厂模式向使用（客户）方隐藏了下列变化：

• 程序所支持的实例集合（具体工厂）的数目；
• 当前是使用的实例集合中的哪一个实例；
• 在任意给定时刻被实例化的具体类型；

所以说，在理解抽象工厂模式原理时，你一定要牢牢记住“如何找到某一个类产品的正确共性功能”这个重点。

抽象工厂模式优点

1. 对于不同产品系列有比较多共性特征时，可以使用抽象工厂模式，有助于提升组件的复用性.

2. 当需要提升代码的扩展性并降低维护成本时，把对象的创建和使用过程分开，能有效地将代码统一到一个级别上

3. 解决跨平台带来的兼容性问题

抽象工厂模式缺点

增加新的产品等级结构麻烦,需要对原有结构进行较大的修改,甚至需要修改抽象层代码,这显然会带来较大不变,违背了开闭原则.