抽象工厂模式

Published on 2016 - 06 - 05

应用示例

工厂方法模式中讲了女娲造人的故事。人是造出来了,世界也热闹了,可是低头一看,都是清一色的类型,缺少关爱、仇恨、喜怒哀乐等情绪,人类的生命太平淡了,女娲一想,猛然一拍脑袋,忘记给人类定义性别了,那怎么办?抹掉重来,于是人类经过一次大洗礼,所有的人种都消灭掉了,世界又是空无一物,寂静而又寂寞。

由于女娲之前的准备工作花费了非常大的精力,比如准备黄土、八卦炉等,从头开始建立所有的事物也是不可能的,那就想在现有的条件下重新造人,尽可能旧物利用嘛。人种(Product产品类)应该怎么改造呢?怎么才能让人类有爱有恨呢?是神仙当然有办法了,定义互斥的性别,然后在每个个体中埋下一颗种子:异性相吸,成熟后就一定会去找个异性(这就是我们说的爱情原动力)。从设计角度来看,一个具体的对象通过两个坐标就可以确定:肤色和性别,如图1所示。

产品类分析完毕了,生产的工厂类(八卦炉)该怎么改造呢?只有一个生产设备,要么生产出来的全都是男性,要么都是女性。那不行呀,这么翻天覆地的改造就是为了产生不同性别的人类。有办法了!把目前已经有的生产设备——八卦炉拆开,于是女娲就使用了“八卦复制术”,把原先的八卦炉一个变两个,并且略加修改,就成了女性八卦炉(只生产女性人种)和男性八卦炉(只生产男性人种),于是乎女娲就开始准备生产了,其类图如图2所示。

这个类图虽然大,但是比较简单。Java的典型类图,一个接口,多个抽象类,然后是N个实现类,每个人种都是一个抽象类,性别是在各个实现类中实现的。特别需要说明的是HumanFactory接口,在这个接口中定义了三个方法,分别用来生产三个不同肤色的人种,也就是我们在图9-1中的Y坐标,它的两个实现类分别是性别,也就是图1中的X坐标,通过X坐标(性别)和Y坐标(肤色)唯一确定了一个生产出来的对象。我们来看看相关的实现,Human接口如代码清单1所示。

public interface Human {
     //每个人种都有相应的颜色
     public void getColor();
     //人类会说话
     public void talk();
     //每个人都有性别
     public void getSex();
}

人种有三个抽象类,负责人种的抽象属性定义:肤色和语言。白色人种、黑色人种、黄色人种分别如代码清单2所示。

public abstract class AbstractWhiteHuman implements Human {
     //白色人种的皮肤颜色是白色的
     public void getColor(){
             System.out.println("白色人种的皮肤颜色是白色的!");
     }
     //白色人种讲话
     public void talk() {
             System.out.println("白色人种会说话,一般说的都是单字节。");
     }
}

public abstract class AbstractBlackHuman implements Human {
     public void getColor(){
             System.out.println("黑色人种的皮肤颜色是黑色的!");
     }
     public void talk() {
             System.out.println("黑人会说话,一般人听不懂。");
     }
}

public abstract class AbstractYellowHuman implements Human {
     public void getColor(){
             System.out.println("黄色人种的皮肤颜色是黄色的!");
     }
     public void talk() {
             System.out.println("黄色人种会说话,一般说的都是双字节。");
     }
}

每个抽象类都有两个实现类,分别实现公共的最细节、最具体的事物:肤色和语言。具体的实现类实现肤色、性别定义,以黄色女性人种为例,如代码清单5所示。

public class FemaleYellowHuman extends AbstractYellowHuman {
     //黄人女性
     public void getSex() {
             System.out.println("黄人女性");
     }
}

黄色男性人种如代码清单6所示。

public class MaleYellowHuman extends AbstractYellowHuman {
     //黄人男性
     public void getSex() {
             System.out.println("黄人男性");
     }
}

其他的黑色人种、白色人种的男性和女性的代码与此类似,不再重复编写。到此为止,我们已经把真实世界的人种都定义出来了,剩下的工作就是怎么制造人类。接口HumanFactory如代码清单7所示。

public interface HumanFactory {
     //制造一个黄色人种
     public Human createYellowHuman();
     //制造一个白色人种
     public Human createWhiteHuman();
     //制造一个黑色人种
     public Human createBlackHuman();
}

在接口中,我们看到八卦炉是可以生产出不同肤色人种的(当然了,女娲的失误嘛),那它有多少个八卦炉呢?两个,分别生产女性和男性,女性和男性八卦炉如代码清单8。

public class FemaleFactory implements HumanFactory {
     //生产出黑人女性
     public Human createBlackHuman() {
             return new FemaleBlackHuman();
     }
     //生产出白人女性
     public Human createWhiteHuman() {  
             return new FemaleWhiteHuman();
     }
     //生产出黄人女性
     public Human createYellowHuman() {
             return new FemaleYellowHuman();
     }
}

public class MaleFactory implements HumanFactory {
     //生产出黑人男性
     public Human createBlackHuman() {
             return new MaleBlackHuman();
     }
     //生产出白人男性
     public Human createWhiteHuman() {  
             return new MaleWhiteHuman();
     }
     //生产出黄人男性
     public Human createYellowHuman() {
             return new MaleYellowHuman();
     }
}

人种有了,八卦炉也有了,我们就来重现一下当年女娲造人的光景,如代码清单10所示。

public class NvWa {
     public static void main(String[] args) {           
             //第一条生产线,男性生产线
             HumanFactory maleHumanFactory = new MaleFactory();         
             //第二条生产线,女性生产线
             HumanFactory femaleHumanFactory = new FemaleFactory();             
             //生产线建立完毕,开始生产人了:
             Human maleYellowHuman = maleHumanFactory.createYellowHuman();              
             Human femaleYellowHuman = femaleHumanFactory.createYellowHuman();  
             System.out.println("---生产一个黄色女性---");
             femaleYellowHuman.getColor();
             femaleYellowHuman.talk();
             femaleYellowHuman.getSex();                
             System.out.println("\n---生产一个黄色男性---");
             maleYellowHuman.getColor();
             maleYellowHuman.talk();
             maleYellowHuman.getSex();          
             /*
              * ......
              * 后面继续创建
              */
     }
}

运行结果如下所示:

---生产一个黄色女性---
黄色人种的皮肤颜色是黄色的!
黄色人种会说话,一般说的都是双字节。
黄人女性
---生产一个黄色男性---
黄色人种的皮肤颜色是黄色的!
黄色人种会说话,一般说的都是双字节。
黄人男性

各种肤色的男性、女性都制造出来了,两性之间产生了相互吸引力,于是情感产生,这个世界就多了一种小说的题材“爱情”。回头来想想我们的设计,不知道大家有没有去过工厂,每个工厂分很多车间,每个车间又分多条生产线,分别生产不同的产品,我们可以把八卦炉比喻为车间,把八卦炉生产的工艺(生产白人、黑人还是黄人)称为生产线,如此来看就是一个女性生产车间,专门生产各种肤色的女性,一个是男性生产车间,专门生产各种肤色男性,生产完毕就可以在系统外组装,什么是组装?嘿嘿,自己思考!在这样的设计下,各个车间和各条生产线的职责非常明确,在车间内各个生产出来的产品可以有耦合关系,你要知道世界上黑、黄、白人种的比例是:1∶4∶6,那这就需要女娲娘娘在烧制的时候就要做好比例分配,在一个车间内协调好。这就是抽象工厂模式。

抽象工厂模式的定义

抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern)是一种比较常用的模式,其定义如下:

Provide an interface for creating families of related or dependent objects without specifying their concrete classes.(为创建一组相关或相互依赖的对象提供一个接口,而且无须指定它们的具体类。)

抽象工厂模式的通用类图如图3所示。

抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本,在有多个业务品种、业务分类时,通过抽象工厂模式产生需要的对象是一种非常好的解决方式。我们来看看抽象工厂的通用源代码,首先有两个互相影响的产品线(也叫做产品族),例如制造汽车的左侧门和右侧门,这两个应该是数量相等的——两个对象之间的约束,每个型号的车门都是不一样的,这是产品等级结构约束的,我们先看看两个产品族的类图,如图4所示。

注意类图上的圈圈、框框相对应,两个抽象的产品类可以有关系,例如共同继承或实现一个抽象类或接口,其源代码如代码清单11所示。

public abstract class AbstractProductA {   
     //每个产品共有的方法
     public void shareMethod(){
     }
     //每个产品相同方法,不同实现
     public abstract void doSomething();
}

两个具体的产品实现类如代码清单12所示。

public class ProductA1 extends AbstractProductA {
     public void doSomething() {
             System.out.println("产品A1的实现方法");
     }
}

public class ProductA2 extends AbstractProductA {
     public void doSomething() {
             System.out.println("产品A2的实现方法");
     }
}

产品B与此类似,不再赘述。抽象工厂类AbstractCreator的职责是定义每个工厂要实现的功能,在通用代码中,抽象工厂类定义了两个产品族的产品创建,如代码清单14所示。

public abstract class AbstractCreator {
     //创建A产品家族
     public abstract AbstractProductA createProductA(); 
     //创建B产品家族
     public abstract AbstractProductB createProductB();
}

注意 有N个产品族,在抽象工厂类中就应该有N个创建方法。

如何创建一个产品,则是由具体的实现类来完成的,Creator1和Creator2如代码清单15

public class Creator1 extends AbstractCreator {    
     //只生产产品等级为1的A产品
     public AbstractProductA createProductA() { 
             return new ProductA1();
     }
     //只生产产品等级为1的B产品
     public AbstractProductB createProductB() {
             return new ProductB1();
     }
}

public class Creator2 extends AbstractCreator {    
     //只生产产品等级为2的A产品
     public AbstractProductA createProductA() { 
             return new ProductA2();
     }
     //只生产产品等级为2的B产品
  public AbstractProductA createProductA() { 
             return new ProductA2();
     }
     //只生产产品等级为2的B产品
     public AbstractProductB createProductB() {
             return new ProductB2();
     }
}

注意 有M个产品等级就应该有M个实现工厂类,在每个实现工厂中,实现不同产品族的生产任务。

在具体的业务中如何产生一个与实现无关的对象呢?如代码清单17所示。

public class Client {
     public static void main(String[] args) {
             //定义出两个工厂
             AbstractCreator creator1 = new Creator1();
             AbstractCreator creator2 = new Creator2();
             //产生A1对象
             AbstractProductA a1 =  creator1.createProductA();
             //产生A2对象
             AbstractProductA a2 = creator2.createProductA();
             //产生B1对象
             AbstractProductB b1 = creator1.createProductB();
             //产生B2对象
             AbstractProductB b2 = creator2.createProductB();
             /*
              * 然后在这里就可以为所欲为了...
              */
     }
}

在场景类中,没有任何一个方法与实现类有关系,对于一个产品来说,我们只要知道它的工厂方法就可以直接产生一个产品对象,无须关心它的实现类。

抽象工厂模式的应用

抽象工厂模式的优点

  • 封装性,每个产品的实现类不是高层模块要关心的,它要关心的是什么?是接口,是抽象,它不关心对象是如何创建出来,这由谁负责呢?工厂类,只要知道工厂类是谁,我就能创建出一个需要的对象,省时省力,优秀设计就应该如此。

抽象工厂模式的缺点

抽象工厂模式的最大缺点就是产品族扩展非常困难,为什么这么说呢?我们以通用代码为例,如果要增加一个产品C,也就是说产品家族由原来的2个增加到3个,看看我们的程序有多大改动吧!抽象类AbstractCreator要增加一个方法createProductC(),然后两个实现类都要修改,想想看,这严重违反了开闭原则,而且我们一直说明抽象类和接口是一个契约。改变契约,所有与契约有关系的代码都要修改,那么这段代码叫什么?叫“有毒代码”,——只要与这段代码有关系,就可能产生侵害的危险!

抽象工厂模式的使用场景

抽象工厂模式的使用场景定义非常简单:一个对象族(或是一组没有任何关系的对象)都有相同的约束,则可以使用抽象工厂模式。什么意思呢?例如一个文本编辑器和一个图片处理器,都是软件实体,但是*nix下的文本编辑器和Windows下的文本编辑器虽然功能和界面都相同,但是代码实现是不同的,图片处理器也有类似情况。也就是具有了共同的约束条件:操作系统类型。于是我们可以使用抽象工厂模式,产生不同操作系统下的编辑器和图片处理器。

抽象工厂模式的注意事项

在抽象工厂模式的缺点中,我们提到抽象工厂模式的产品族扩展比较困难,但是一定要清楚,是产品族扩展困难,而不是产品等级。在该模式下,产品等级是非常容易扩展的,增加一个产品等级,只要增加一个工厂类负责新增加出来的产品生产任务即可。也就是说横向扩展容易,纵向扩展困难。以人类为例子,产品等级中只有男、女两个性别,现实世界还有一种性别:双性人,既是男人也是女人(俗语就是阴阳人),那我们要扩展这个产品等级也是非常容易的,增加三个产品类,分别对应不同的肤色,然后再创建一个工厂类,专门负责不同肤色人的双性人的创建任务,完全通过扩展来实现需求的变更,从这一点上看,抽象工厂模式是符合开闭原则的。

综述

一个模式在什么情况下才能够使用,是很多读者比较困惑的地方。抽象工厂模式是一个简单的模式,使用的场景非常多,大家在软件产品开发过程中,涉及不同操作系统的时候,都可以考虑使用抽象工厂模式,例如一个应用,需要在三个不同平台(Windows、Linux、Android(Google发布的智能终端操作系统))上运行,你会怎么设计?分别设计三套不同的应用?非也,通过抽象工厂模式屏蔽掉操作系统对应用的影响。三个不同操作系统上的软件功能、应用逻辑、UI都应该是非常类似的,唯一不同的是调用不同的工厂方法,由不同的产品类去处理与操作系统交互的信息。

参考文档