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设计模式之工厂模式：对象创建的智慧之道

news 2025/7/14 6:11:34

工厂模式：对象创建的智慧之道

引言：为什么我们需要工厂模式？

在软件开发中，对象创建是最常见的操作之一。当代码中充满new关键字时，系统会面临三大痛点：

紧耦合：客户端代码直接依赖具体实现类
扩展困难：新增产品类型需修改多处代码
职责混乱：业务逻辑与对象创建逻辑混杂

工厂模式（Factory Pattern）正是解决这些问题的创建型设计模式。它通过定义对象创建接口，让子类决定实例化哪个类，实现创建逻辑与使用逻辑的解耦。

工厂模式家族包含三种形态：简单工厂、工厂方法和抽象工厂，各自解决不同层次的问题。

一、简单工厂模式（静态工厂）

1.1 基础概念

classDiagramclass Clientclass SimpleFactory {+createProduct(String type) Product}interface Product {+use()}class ConcreteProductAclass ConcreteProductBClient --> SimpleFactorySimpleFactory ..> ProductProduct <|.. ConcreteProductAProduct <|.. ConcreteProductB

1.2 代码实现

// 产品接口
interface Button {void render();
}// 具体产品
class WindowsButton implements Button {public void render() {System.out.println("渲染Windows风格按钮");}
}class MacOSButton implements Button {public void render() {System.out.println("渲染MacOS风格按钮");}
}// 简单工厂
class ButtonFactory {public static Button createButton(String osType) {if ("windows".equalsIgnoreCase(osType)) {return new WindowsButton();} else if ("macos".equalsIgnoreCase(osType)) {return new MacOSButton();}throw new IllegalArgumentException("未知操作系统类型");}
}// 客户端调用
public class Client {public static void main(String[] args) {Button btn = ButtonFactory.createButton("macos");btn.render(); // 输出：渲染MacOS风格按钮}
}

1.3 适用场景与局限

适用场景：

产品种类有限且固定
客户端不关心创建细节

缺点：

违反开闭原则（新增产品需修改工厂）
工厂类职责过重

二、工厂方法模式（多态工厂）

2.1 核心思想

classDiagramclass Clientinterface Factory {+createButton() Button}class WindowsFactoryclass MacOSFactoryinterface Buttonclass WindowsButtonclass MacOSButtonClient --> FactoryFactory <|.. WindowsFactoryFactory <|.. MacOSFactoryFactory ..> ButtonButton <|.. WindowsButtonButton <|.. MacOSButton

2.2 代码实现

// 抽象工厂
interface GUIFactory {Button createButton();Checkbox createCheckbox();
}// 具体工厂
class WindowsFactory implements GUIFactory {public Button createButton() {return new WindowsButton();}public Checkbox createCheckbox() {return new WindowsCheckbox();}
}class MacOSFactory implements GUIFactory {public Button createButton() {return new MacOSButton();}public Checkbox createCheckbox() {return new MacOSCheckbox();}
}// 客户端代码
public class Application {private Button button;private Checkbox checkbox;public Application(GUIFactory factory) {button = factory.createButton();checkbox = factory.createCheckbox();}public void render() {button.render();checkbox.render();}
}// 使用示例
public class Demo {public static void main(String[] args) {GUIFactory factory;if (System.getProperty("os.name").contains("Windows")) {factory = new WindowsFactory();} else {factory = new MacOSFactory();}Application app = new Application(factory);app.render();}
}

2.3 模式优势

完全符合开闭原则：新增产品只需添加新工厂
单一职责原则：每个工厂只负责一类产品
可测试性：可通过Mock工厂进行单元测试

三、抽象工厂模式（产品族工厂）

3.1 解决复杂产品族创建

classDiagramclass Clientinterface AbstractFactory {+createButton() Button+createCheckbox() Checkbox}class ModernFactoryclass VintageFactoryinterface Buttoninterface Checkboxclass ModernButtonclass VintageButtonclass ModernCheckboxclass VintageCheckboxClient --> AbstractFactoryAbstractFactory <|.. ModernFactoryAbstractFactory <|.. VintageFactoryAbstractFactory ..> ButtonAbstractFactory ..> CheckboxButton <|.. ModernButtonButton <|.. VintageButtonCheckbox <|.. ModernCheckboxCheckbox <|.. VintageCheckbox

3.2 跨平台UI案例

// 抽象产品族
interface Button {void render();
}interface Checkbox {void toggle();
}// 现代风格产品
class ModernButton implements Button {public void render() {System.out.println("渲染扁平化按钮");}
}class ModernCheckbox implements Checkbox {public void toggle() {System.out.println("切换Material Design复选框");}
}// 复古风格产品
class VintageButton implements Button {public void render() {System.out.println("渲染拟物化按钮");}
}class VintageCheckbox implements Checkbox {public void toggle() {System.out.println("切换复古风格复选框");}
}// 抽象工厂
interface UIFactory {Button createButton();Checkbox createCheckbox();
}// 具体工厂
class ModernUIFactory implements UIFactory {public Button createButton() {return new ModernButton();}public Checkbox createCheckbox() {return new ModernCheckbox();}
}class VintageUIFactory implements UIFactory {public Button createButton() {return new VintageButton();}public Checkbox createCheckbox() {return new VintageCheckbox();}
}// 配置类（决定使用哪种风格）
class UIStyleConfig {public static UIFactory getFactory(String style) {if ("modern".equals(style)) {return new ModernUIFactory();} else if ("vintage".equals(style)) {return new VintageUIFactory();}throw new IllegalArgumentException("未知UI风格");}
}

3.3 模式特点

优势：

保证产品族兼容性（如统一风格的UI组件）
切换产品族只需替换工厂实例

局限性：

新增产品类型需修改所有工厂接口
类数量指数级增长（产品族×产品类型）

四、三大工厂模式对比

特性	简单工厂	工厂方法	抽象工厂
创建对象范围	单一产品	单一产品	产品族
开闭原则支持	❌ 修改工厂类	✅ 扩展新工厂	✅ 扩展新工厂
复杂度	★☆☆ 简单	★★☆ 中等	★★★ 复杂
适用场景	固定类型产品	单一类型产品扩展	相关产品组成的家族
系统扩展方向	垂直扩展（修改代码）	水平扩展（新增工厂）	水平扩展（新增产品族）

五、工厂模式在框架中的实践

5.1 JDK中的工厂模式

// 工厂方法示例
Calendar cal = Calendar.getInstance(); // 根据时区创建实例// 抽象工厂示例
DocumentBuilderFactory dbf = DocumentBuilderFactory.newInstance();
DocumentBuilder db = dbf.newDocumentBuilder();

5.2 Spring框架的工厂应用

// BeanFactory：顶级工厂接口
BeanFactory factory = new ClassPathXmlApplicationContext("beans.xml");
MyService service = factory.getBean(MyService.class);// FactoryBean：定制复杂对象创建
public class MyFactoryBean implements FactoryBean<Connection> {public Connection getObject() {return DriverManager.getConnection(...);}
}

5.3 Log4j2的日志工厂

Logger logger = LogManager.getLogger(); // 获取日志器工厂

六、工厂模式最佳实践

6.1 何时使用工厂模式？

系统需要支持多种实现变体（如不同数据库驱动）
需要隔离创建逻辑与业务代码
需要统一管理对象生命周期
实现可插拔架构（运行时切换实现）

6.2 设计原则落地

开闭原则：通过扩展而非修改增加功能
依赖倒置：依赖抽象而非具体实现
单一职责：创建逻辑与业务逻辑分离

6.3 避免常见误区

过度设计：简单场景直接使用new
工厂膨胀：当产品类型过多时考虑重构
循环依赖：工厂之间避免相互调用

七、工厂模式演进与变种

7.1 静态工厂方法

// JDK中的经典案例
List<String> list = Collections.unmodifiableList(originalList);

7.2 参数化工厂

class VehicleFactory {Vehicle createVehicle(VehicleType type, String model) {switch(type) {case CAR: return new Car(model);case TRUCK: return new Truck(model);}}
}

7.3 延迟初始化工厂

class LazyFactory {private Map<String, Product> cache = new HashMap<>();Product getProduct(String key) {if (!cache.containsKey(key)) {cache.put(key, createProduct(key));}return cache.get(key);}
}

八、工厂模式经典面试题

Q1：工厂方法和抽象工厂的核心区别？

答案：

工厂方法关注单一产品的创建
抽象工厂关注相关产品族的创建
抽象工厂通常包含多个工厂方法

Q2：Spring中的BeanFactory和FactoryBean有何不同？

答案：

BeanFactory	FactoryBean
基础IoC容器	创建复杂对象的工厂接口
管理所有Bean的生命周期	定制特殊Bean的创建过程
通过getBean()获取对象	实现getObject()返回目标对象