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深入理解设计模式之工厂模式：创建对象的艺术

news 2025/7/13 12:47:52

在软件开发中，对象的创建是最基础也是最频繁的操作之一。如何优雅、高效地创建对象，同时保持代码的灵活性和可维护性，是每个开发者都需要面对的问题。工厂模式作为一种经典的创建型设计模式，为我们提供了解决这一问题的有效方案。本文将全面解析工厂模式，包括其三种主要形式：简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式，并通过丰富的代码示例帮助读者深入理解其应用场景和实现方式。

一、工厂模式概述

1.1 什么是工厂模式

工厂模式（Factory Pattern）是一种创建型设计模式，它提供了一种创建对象的最佳方式，而无需向客户端暴露创建逻辑。工厂模式通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象，实现了创建与使用的分离。

1.2 为什么需要工厂模式

在传统的对象创建方式中，我们通常直接使用new关键字来实例化对象。这种方式虽然简单直接，但存在以下问题：

耦合度高：客户端代码直接依赖于具体实现类
难以扩展：当需要创建新类型的对象时，需要修改多处客户端代码
违反开闭原则：对修改关闭，对扩展开放的原则难以实现

工厂模式通过将对象的创建过程封装起来，解决了上述问题，提供了以下优势：

降低耦合：客户端只需要知道工厂和产品接口，无需了解具体实现
提高可维护性：创建逻辑集中管理，便于修改和扩展
增强灵活性：可以方便地替换或扩展产品类

1.3 工厂模式的分类

工厂模式主要分为三种形式：

简单工厂模式（Simple Factory）：又称静态工厂方法模式
工厂方法模式（Factory Method）：又称多态性工厂模式
抽象工厂模式（Abstract Factory）：又称工具箱模式

下面我们将分别详细介绍这三种模式。

二、简单工厂模式

2.1 简单工厂模式定义

简单工厂模式定义一个工厂类，根据传入的参数不同返回不同类型的实例。它是最简单的工厂模式形式，虽然不属于GoF 23种设计模式之一，但在实际开发中非常常见。

2.2 简单工厂模式结构

简单工厂模式包含以下角色：

工厂类（Factory）：负责创建对象的核心类
抽象产品（Product）：定义产品的公共接口
具体产品（ConcreteProduct）：实现抽象产品接口的具体类

2.3 代码实现示例

// 抽象产品：手机
interface Phone {void call();void sendMessage();
}// 具体产品：华为手机
class HuaweiPhone implements Phone {@Overridepublic void call() {System.out.println("华为手机打电话");}@Overridepublic void sendMessage() {System.out.println("华为手机发短信");}
}// 具体产品：小米手机
class XiaomiPhone implements Phone {@Overridepublic void call() {System.out.println("小米手机打电话");}@Overridepublic void sendMessage() {System.out.println("小米手机发短信");}
}// 简单工厂
class PhoneFactory {public static Phone createPhone(String brand) {switch (brand.toLowerCase()) {case "huawei":return new HuaweiPhone();case "xiaomi":return new XiaomiPhone();default:throw new IllegalArgumentException("不支持的手机品牌");}}
}// 客户端使用
public class Client {public static void main(String[] args) {Phone huawei = PhoneFactory.createPhone("Huawei");huawei.call();huawei.sendMessage();Phone xiaomi = PhoneFactory.createPhone("Xiaomi");xiaomi.call();xiaomi.sendMessage();}
}

2.4 简单工厂模式优缺点

优点：

客户端无需知道具体产品类名，只需要知道对应参数
实现了对象的创建和使用的分离
代码结构简单，易于理解和实现

缺点：

工厂类集中了所有产品的创建逻辑，职责过重
添加新产品需要修改工厂类，违反开闭原则
当产品较多时，工厂方法会变得非常臃肿

2.5 适用场景

简单工厂模式适用于以下场景：

工厂类负责创建的对象比较少
客户端只需要传入参数，不关心对象的创建过程
对扩展性要求不高的简单应用

三、工厂方法模式

3.1 工厂方法模式定义

工厂方法模式定义了一个创建对象的接口，但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。它是简单工厂模式的进一步抽象和推广。

3.2 工厂方法模式结构

工厂方法模式包含以下角色：

抽象工厂（Factory）：声明工厂方法
具体工厂（ConcreteFactory）：实现工厂方法，返回具体产品
抽象产品（Product）：定义产品接口
具体产品（ConcreteProduct）：实现产品接口

3.3 代码实现示例

// 抽象产品：数据库连接
interface Connection {void connect();void executeQuery(String sql);
}// 具体产品：MySQL连接
class MySQLConnection implements Connection {@Overridepublic void connect() {System.out.println("连接到MySQL数据库");}@Overridepublic void executeQuery(String sql) {System.out.println("MySQL执行查询: " + sql);}
}// 具体产品：Oracle连接
class OracleConnection implements Connection {@Overridepublic void connect() {System.out.println("连接到Oracle数据库");}@Overridepublic void executeQuery(String sql) {System.out.println("Oracle执行查询: " + sql);}
}// 抽象工厂
interface ConnectionFactory {Connection createConnection();
}// 具体工厂：MySQL工厂
class MySQLConnectionFactory implements ConnectionFactory {@Overridepublic Connection createConnection() {return new MySQLConnection();}
}// 具体工厂：Oracle工厂
class OracleConnectionFactory implements ConnectionFactory {@Overridepublic Connection createConnection() {return new OracleConnection();}
}// 客户端使用
public class Client {public static void main(String[] args) {ConnectionFactory mysqlFactory = new MySQLConnectionFactory();Connection mysqlConn = mysqlFactory.createConnection();mysqlConn.connect();mysqlConn.executeQuery("SELECT * FROM users");ConnectionFactory oracleFactory = new OracleConnectionFactory();Connection oracleConn = oracleFactory.createConnection();oracleConn.connect();oracleConn.executeQuery("SELECT * FROM employees");}
}

3.4 工厂方法模式优缺点

优点：

用户只需要关心所需产品对应的工厂，无需关心创建细节
添加新产品时只需添加新的工厂类，符合开闭原则
可以形成基于继承的等级结构
更符合单一职责原则

缺点：

每增加一个产品就需要增加一个具体工厂类，增加了系统的复杂度
引入了抽象层，增加了系统的抽象性和理解难度

3.5 适用场景

工厂方法模式适用于以下场景：

一个类不知道它所需要的对象的类
一个类希望由它的子类来指定它所创建的对象
需要灵活、可扩展的系统
将创建对象的任务委托给多个工厂子类中的某一个

四、抽象工厂模式

4.1 抽象工厂模式定义

抽象工厂模式提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。它是对工厂方法模式的扩展，用于创建产品族。

4.2 抽象工厂模式结构

抽象工厂模式包含以下角色：

抽象工厂（AbstractFactory）：声明创建一系列产品的方法
具体工厂（ConcreteFactory）：实现创建具体产品的方法
抽象产品（AbstractProduct）：为每种产品声明接口
具体产品（ConcreteProduct）：实现抽象产品接口的具体类

4.3 代码实现示例

// 抽象产品：按钮
interface Button {void render();void onClick();
}// 具体产品：Windows按钮
class WindowsButton implements Button {@Overridepublic void render() {System.out.println("渲染Windows风格按钮");}@Overridepublic void onClick() {System.out.println("Windows按钮点击事件");}
}// 具体产品：MacOS按钮
class MacOSButton implements Button {@Overridepublic void render() {System.out.println("渲染MacOS风格按钮");}@Overridepublic void onClick() {System.out.println("MacOS按钮点击事件");}
}// 抽象产品：复选框
interface Checkbox {void render();void onCheck();
}// 具体产品：Windows复选框
class WindowsCheckbox implements Checkbox {@Overridepublic void render() {System.out.println("渲染Windows风格复选框");}@Overridepublic void onCheck() {System.out.println("Windows复选框选中事件");}
}// 具体产品：MacOS复选框
class MacOSCheckbox implements Checkbox {@Overridepublic void render() {System.out.println("渲染MacOS风格复选框");}@Overridepublic void onCheck() {System.out.println("MacOS复选框选中事件");}
}// 抽象工厂：GUI工厂
interface GUIFactory {Button createButton();Checkbox createCheckbox();
}// 具体工厂：Windows工厂
class WindowsFactory implements GUIFactory {@Overridepublic Button createButton() {return new WindowsButton();}@Overridepublic Checkbox createCheckbox() {return new WindowsCheckbox();}
}// 具体工厂：MacOS工厂
class MacOSFactory implements GUIFactory {@Overridepublic Button createButton() {return new MacOSButton();}@Overridepublic Checkbox createCheckbox() {return new MacOSCheckbox();}
}// 客户端使用
public class Client {public static void main(String[] args) {// 创建Windows风格的UI组件GUIFactory windowsFactory = new WindowsFactory();Button windowsButton = windowsFactory.createButton();Checkbox windowsCheckbox = windowsFactory.createCheckbox();windowsButton.render();windowsButton.onClick();windowsCheckbox.render();windowsCheckbox.onCheck();// 创建MacOS风格的UI组件GUIFactory macFactory = new MacOSFactory();Button macButton = macFactory.createButton();Checkbox macCheckbox = macFactory.createCheckbox();macButton.render();macButton.onClick();macCheckbox.render();macCheckbox.onCheck();}
}

4.4 抽象工厂模式优缺点

优点：

保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象
分离了具体的类，客户端通过抽象接口操纵实例
易于交换产品系列
有利于产品的一致性

缺点：

难以支持新种类的产品，因为需要扩展抽象工厂接口
增加了系统的抽象性和理解难度
增加了系统的复杂性和开销

4.5 适用场景

抽象工厂模式适用于以下场景：

系统需要独立于其产品的创建、组合和表示时
系统需要配置多个产品族中的一个时
需要强调一系列相关产品对象的设计以便进行联合使用时
提供一个产品类库，只想显示它们的接口而不是实现时

五、三种工厂模式对比

特性	简单工厂模式	工厂方法模式	抽象工厂模式
复杂度	低	中	高
可扩展性	差	好	较好
产品族支持	不支持	不支持	支持
开闭原则	违反	符合	部分符合
适用场景	简单应用	单一产品等级结构	多个产品等级结构
新增产品	修改工厂类	新增工厂类	新增工厂类和产品类