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设计模式系列（05）：工厂方法模式（Factory Method）

news 来源：原创 2025/5/24 8:09:47

本文为设计模式系列第5篇，聚焦创建型模式中的工厂方法模式，涵盖定义、原理、实际业务场景、优缺点、最佳实践及详细代码示例，适合系统学习与实战应用。

目录

  • 1. 模式概述
  • 2. 使用场景
  • 3. 优缺点分析
  • 4. 实际应用案例
  • 5. 结构与UML类图
  • 6. 代码示例
  • 7. 测试用例
  • 8. 常见误区与反例
  • 9. 最佳实践
  • 10. 参考资料与延伸阅读

1. 模式概述

工厂方法模式（Factory Method Pattern）是一种创建型设计模式。它通过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。工厂方法让类的实例化推迟到子类中进行，便于扩展和解耦。

1.1 定义

为创建对象定义一个接口，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。

1.2 目的

  • 封装对象创建，隐藏实现细节
  • 支持扩展，便于新增产品类型
  • 解耦客户端与具体产品，提升灵活性

2. 使用场景

工厂方法模式在实际开发中应用广泛，常见场景包括：

  1. 日志系统：如支持多种日志输出（文件、数据库、远程等），通过工厂方法灵活切换日志实现。
  2. 数据库访问：如支持多种数据库（MySQL、Oracle、SQL Server等），通过工厂方法屏蔽底层差异。
  3. UI组件库：如跨平台UI库，工厂方法根据平台创建不同风格的控件。
  4. 文档处理：如支持多种文档格式（PDF、Word、Excel），通过工厂方法创建对应处理器。

真实业务背景举例：

  • 大型企业日志平台，需支持本地文件、数据库、远程服务器等多种日志存储方式，便于运维和审计。
  • SaaS平台根据客户定制不同UI风格，工厂方法可灵活切换控件实现。
  • 金融系统需对接多种数据库，工厂方法屏蔽底层实现，提升可维护性。

3. 优缺点分析

3.1 优点

  1. 封装性：隐藏对象创建细节，客户端只需依赖工厂接口。
  2. 扩展性：易于新增产品类型，符合开闭原则。
  3. 解耦性：客户端与具体产品解耦，便于维护和测试。

3.2 缺点

  1. 类数量增加：每新增一种产品都需对应工厂类，系统结构变复杂。
  2. 继承局限：扩展需继承工厂接口，可能导致继承层次过深。
  3. 使用限制：只适用于同族产品，不支持跨族产品创建。

4. 实际应用案例

  1. 日志系统：文件日志、数据库日志、远程日志等多种实现，便于扩展和切换。
  2. 数据库连接：根据配置创建不同数据库连接对象，屏蔽底层差异。
  3. UI控件工厂：根据操作系统或主题创建不同风格控件。
  4. 支付渠道对接：如微信、支付宝、银联等，每种渠道对应不同工厂。

5. 结构与UML类图

@startuml
package "Factory Method Pattern" #DDDDDD {interface Product {+ use(): void}class ConcreteProductA implements Productclass ConcreteProductB implements Productinterface Factory {+ createProduct(): Product}class ConcreteFactoryA implements Factoryclass ConcreteFactoryB implements Factoryclass ClientFactory <|.. ConcreteFactoryAFactory <|.. ConcreteFactoryBProduct <|.. ConcreteProductAProduct <|.. ConcreteProductBConcreteFactoryA --> ConcreteProductA : createProduct()ConcreteFactoryB --> ConcreteProductB : createProduct()Client ..> Factory : uses
}
@enduml

6. 代码示例

6.1 基本结构示例

业务背景： 企业日志平台需支持多种日志实现，便于灵活切换和扩展。

// 日志产品接口，定义日志操作
public interface Logger {/*** 写入日志信息* @param message 日志内容*/void log(String message);
}// 文件日志实现，写入本地文件
public class FileLogger implements Logger {private String filePath;public FileLogger(String filePath) {this.filePath = filePath;}@Overridepublic void log(String message) {// 实际业务：将日志写入指定文件try (FileWriter writer = new FileWriter(filePath, true)) {writer.write(message + "\n");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}// 数据库日志实现，写入数据库表
public class DatabaseLogger implements Logger {private Connection connection;public DatabaseLogger(Connection connection) {this.connection = connection;}@Overridepublic void log(String message) {// 实际业务：将日志写入数据库try {PreparedStatement stmt = connection.prepareStatement("INSERT INTO logs (message, timestamp) VALUES (?, ?)");stmt.setString(1, message);stmt.setTimestamp(2, new Timestamp(System.currentTimeMillis()));stmt.executeUpdate();} catch (SQLException e) {e.printStackTrace();}}
}// 日志工厂接口，定义创建Logger的方法
public interface LoggerFactory {Logger createLogger();
}// 文件日志工厂，负责创建FileLogger
public class FileLoggerFactory implements LoggerFactory {private String filePath;public FileLoggerFactory(String filePath) {this.filePath = filePath;}@Overridepublic Logger createLogger() {return new FileLogger(filePath);}
}// 数据库日志工厂，负责创建DatabaseLogger
public class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {private Connection connection;public DatabaseLoggerFactory(Connection connection) {this.connection = connection;}@Overridepublic Logger createLogger() {return new DatabaseLogger(connection);}
}// 客户端示例
public class Client {public static void main(String[] args) throws Exception {// 创建文件日志工厂LoggerFactory fileFactory = new FileLoggerFactory("app.log");Logger fileLogger = fileFactory.createLogger();fileLogger.log("写入文件日志");// 创建数据库日志工厂Connection conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/mydb", "user", "password");LoggerFactory dbFactory = new DatabaseLoggerFactory(conn);Logger dbLogger = dbFactory.createLogger();dbLogger.log("写入数据库日志");}// 总结：通过工厂方法，客户端无需关心Logger的具体实现，便于扩展和维护。
}

6.2 实际业务场景：支付渠道工厂

业务背景： 电商平台需对接多种支付渠道（如微信、支付宝、银联），通过工厂方法灵活扩展。

// 支付接口，定义支付操作
public interface Payment {void pay(double amount);
}// 微信支付实现
public class WeChatPayment implements Payment {@Overridepublic void pay(double amount) {System.out.println("[WeChat] 支付 " + amount + " 元");}
}
// 支付宝支付实现
public class AliPayPayment implements Payment {@Overridepublic void pay(double amount) {System.out.println("[AliPay] 支付 " + amount + " 元");}
}
// 银联支付实现
public class UnionPayPayment implements Payment {@Overridepublic void pay(double amount) {System.out.println("[UnionPay] 支付 " + amount + " 元");}
}
// 支付工厂接口
public interface PaymentFactory {Payment createPayment();
}
// 微信支付工厂
public class WeChatPaymentFactory implements PaymentFactory {public Payment createPayment() {return new WeChatPayment();}
}
// 支付宝支付工厂
public class AliPayPaymentFactory implements PaymentFactory {public Payment createPayment() {return new AliPayPayment();}
}
// 银联支付工厂
public class UnionPayPaymentFactory implements PaymentFactory {public Payment createPayment() {return new UnionPayPayment();}
}
// 客户端示例
public class PaymentClient {public static void main(String[] args) {PaymentFactory factory = new WeChatPaymentFactory();Payment payment = factory.createPayment();payment.pay(100.0);// 切换支付渠道只需更换工厂实现factory = new AliPayPaymentFactory();payment = factory.createPayment();payment.pay(200.0);}
}

7. 测试用例

业务背景： 验证日志工厂和支付工厂的多实现切换与功能正确性。

public class FactoryMethodPatternTest {@Testpublic void testFileLogger() {LoggerFactory factory = new FileLoggerFactory("test.log");Logger logger = factory.createLogger();logger.log("Test message");// 验证文件内容try {List<String> lines = Files.readAllLines(Paths.get("test.log"));assertTrue(lines.contains("Test message"));} catch (IOException e) {fail("Failed to read log file");}}@Testpublic void testDatabaseLogger() {Connection conn = createTestConnection();LoggerFactory factory = new DatabaseLoggerFactory(conn);Logger logger = factory.createLogger();logger.log("Test message");// 验证数据库记录try {PreparedStatement stmt = conn.prepareStatement("SELECT message FROM logs WHERE message = ?");stmt.setString(1, "Test message");ResultSet rs = stmt.executeQuery();assertTrue(rs.next());} catch (SQLException e) {fail("Failed to verify database log");}}@Testpublic void testPaymentFactory() {PaymentFactory factory = new WeChatPaymentFactory();Payment payment = factory.createPayment();assertTrue(payment instanceof WeChatPayment);factory = new AliPayPaymentFactory();payment = factory.createPayment();assertTrue(payment instanceof AliPayPayment);}private Connection createTestConnection() {try {return DriverManager.getConnection("jdbc:h2:mem:testdb;DB_CLOSE_DELAY=-1","sa","");} catch (SQLException e) {throw new RuntimeException("Failed to create test connection", e);}}
}

8. 常见误区与反例

  • 误区1：工厂类职责过重，变成"万能工厂"。
    应按产品族拆分工厂，避免单一工厂膨胀。
  • 误区2：客户端仍直接依赖具体产品。
    应通过工厂接口获取产品，避免高耦合。
  • 反例：工厂方法未能隐藏实现细节。
    工厂应只暴露必要接口，隐藏创建逻辑。

9. 最佳实践

  1. 接口设计：工厂和产品接口要简洁，便于扩展和维护。
  2. 工厂拆分：按产品族或业务领域拆分工厂，避免"万能工厂"。
  3. 异常与资源管理：工厂方法应妥善处理异常和资源释放。
  4. 扩展性：新增产品类型时优先扩展工厂，不修改已有代码。
  5. 文档和UML同步：保持文档、UML和代码示例一致，便于团队协作。

10. 参考资料与延伸阅读

  • 《设计模式：可复用面向对象软件的基础》GoF
  • Effective Java（中文版）
  • https://refactoringguru.cn/design-patterns/factory-method
  • https://www.baeldung.com/java-factory-pattern

本文为设计模式系列第5篇，后续每篇将聚焦一个设计模式或设计原则，深入讲解实现与应用，敬请关注。

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