【设计模式】抽象工厂模式 （工具(Kit)模式）
抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）详解
一、抽象工厂模式简介
抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern） 是一种 创建型设计模式（对象创建型模式），它提供了一种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。
抽象工厂模式的核心在于“抽象”，通过定义一个创建对象的接口，但由子类决定要实例化的类是哪一个。
你可以这样理解：
“抽象工厂就像是一个‘品牌制造商’，根据不同的需求生产出不同品牌的同类产品（如手机、电脑），每个品牌的产品都是相关的，但具体实现各有特色。”
工厂方法模式
每个具体工厂只有一个或者一组重载的工厂方法，只能生产一种产品，可能会导致系统中存在大量的工厂类，势必会增加系统的开销
抽象工厂模式
一个工厂可以生产一系列产品（一族产品），极大减少了工厂类的数量
产品等级结构：产品等级结构即产品的继承结构
产品族：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
当系统所提供的工厂生产的具体产品并不是一个简单的对象，而是多个位于不同产品等级结构、属于不同类型的具体产品时就可以使用抽象工厂模式。
抽象工厂模式是所有形式的工厂模式中最为抽象和最具一般性的一种形式。
又称为工具(Kit)模式。
抽象工厂模式中的具体工厂不只是创建一种产品，它负责创建一族产品。
当一个工厂等级结构可以创建出分属于不同产品等级结构的一个产品族中的所有对象时，抽象工厂模式比工厂方法模式更为简单、更有效率。
抽象工厂模式包含以下4个角色：
AbstractFactory（抽象工厂）
ConcreteFactory（具体工厂）
AbstractProduct（抽象产品）
ConcreteProduct（具体产品）
二、解决的问题类型
抽象工厂模式主要用于解决以下问题：
- 需要创建一系列相关对象：这些对象通常是一起使用的，例如一套图形界面组件（按钮、文本框等）。
- 希望隐藏具体产品的创建逻辑：避免客户端直接使用
new关键字来实例化具体类。 - 支持扩展性：新增产品族时只需添加新的具体工厂和产品实现，无需修改已有代码。
三、使用场景
| 场景 | 示例 |
|---|---|
| UI 组件库 | 如 Windows 和 Mac 系统下的按钮、窗口等组件 |
| 数据库连接池 | 提供多种数据库的连接管理（MySQL, PostgreSQL 等） |
| 游戏中的角色装备系统 | 不同等级的角色拥有不同级别的武器和防具 |
一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节。
系统中有多于一个的产品族，但每次只使用其中某一产品族。
属于同一个产品族的产品将在一起使用，这一约束必须在系统的设计中体现出来。
产品等级结构稳定，设计完成之后，不会向系统中增加新的产品等级结构或者删除已有的产品等级结构。
四、核心概念
- AbstractFactory（抽象工厂）：声明一组用于创建抽象产品的方法。
- ConcreteFactory（具体工厂）：实现抽象工厂中定义的方法，负责创建具体产品对象。
- AbstractProduct（抽象产品）：为每类产品定义接口或基类。
- ConcreteProduct（具体产品）：实现抽象产品接口的具体类。
五、实际代码案例（Java）
我们以“跨平台UI组件”为例，演示抽象工厂模式的应用。假设我们需要在Windows和MacOS平台上显示按钮和文本框。
1. 定义抽象产品接口
// 按钮接口
public interface Button {void paint();
}// 文本框接口
public interface TextBox {void displayText(String text);
}
2. 创建具体产品类
// Windows风格按钮
public class WindowsButton implements Button {@Overridepublic void paint() {System.out.println("绘制 Windows 样式的按钮");}
}// MacOS风格按钮
public class MacOSButton implements Button {@Overridepublic void paint() {System.out.println("绘制 MacOS 样式的按钮");}
}// Windows风格文本框
public class WindowsTextBox implements TextBox {@Overridepublic void displayText(String text) {System.out.println("在 Windows 样式的文本框中显示: " + text);}
}// MacOS风格文本框
public class MacOSTextBox implements TextBox {@Overridepublic void displayText(String text) {System.out.println("在 MacOS 样式的文本框中显示: " + text);}
}
3. 定义抽象工厂接口
// GUI工厂接口
public interface GUIFactory {Button createButton();TextBox createTextBox();
}
4. 创建具体工厂类
// Windows风格GUI工厂
public class WindowsFactory implements GUIFactory {@Overridepublic Button createButton() {return new WindowsButton();}@Overridepublic TextBox createTextBox() {return new WindowsTextBox();}
}// MacOS风格GUI工厂
public class MacOSFactory implements GUIFactory {@Overridepublic Button createButton() {return new MacOSButton();}@Overridepublic TextBox createTextBox() {return new MacOSTextBox();}
}
5. 客户端测试类
public class Client {private Button button;private TextBox textBox;public Client(GUIFactory factory) {button = factory.createButton();textBox = factory.createTextBox();}public void render() {button.paint();textBox.displayText("Hello World!");}public static void main(String[] args) {String platform = "Windows"; // 假设当前平台为WindowsGUIFactory factory;if (platform.equals("Windows")) {factory = new WindowsFactory();} else {factory = new MacOSFactory();}Client app = new Client(factory);app.render();}
}
输出结果（假设平台为Windows）：
绘制 Windows 样式的按钮
在 Windows 样式的文本框中显示: Hello World!
典型代码
典型的抽象工厂类代码：
abstract class AbstractFactory
{
public abstract AbstractProductA CreateProductA(); //工厂方法一
public abstract AbstractProductB CreateProductB(); //工厂方法二
……
}
典型的具体工厂类代码：
class ConcreteFactory1 : AbstractFactory
{//工厂方法一
public override AbstractProductA CreateProductA()
{return new ConcreteProductA1();
}
//工厂方法二
public override AbstractProductB CreateProductB()
{return new ConcreteProductB1();
}
……
}
其他案例
- 某软件公司要开发一套界面皮肤库，可以对基于.NET平台的桌面软件进行界面美化。用户在使用时可以通过菜单来选择皮肤，不同的皮肤将提供视觉效果不同的按钮、文本框、组合框等界面元素，例如春天(Spring)风格的皮肤将提供浅绿色的按钮、绿色边框的文本框和绿色边框的组合框，而夏天(Summer)风格的皮肤则提供浅蓝色的按钮、蓝色边框的文本框和蓝色边框的组合框，其结构示意图如下图所示：
该皮肤库需要具备良好的灵活性和可扩展性，用户可以自由选择不同的皮肤，开发人员可以在不修改既有代码的基础上增加新的皮肤。
现使用抽象工厂模式来设计该界面皮肤库。
- 电器工厂
一个电器工厂可以产生多种类型的电器，如海尔工厂可以生产海尔电视机、海尔空调等，TCL工厂可以生产TCL电视机、TCL空调等，相同品牌的电器构成一个产品族，而相同类型的电器构成了一个产品等级结构，现使用抽象工厂模式模拟该场景
- 数据库操作工厂
某系统为了改进数据库操作的性能，自定义数据库连接对象Connection和语句对象Statement，可针对不同类型的数据库提供不同的连接对象和语句对象，如提供Oracle或SQL Server专用连接类和语句类，而且用户可以通过配置文件等方式根据实际需要动态更换系统数据库。使用抽象工厂模式设计该系统。
六、优缺点分析
| 优点 | 描述 |
|---|---|
| ✅ 统一接口 | 通过抽象层隔离了具体产品的创建过程，使得客户端仅需知道抽象接口即可 |
| ✅ 易于扩展 | 新增产品族时只需添加新的具体工厂和产品实现，不影响现有代码 |
| ✅ 增强灵活性 | 可以轻松切换到不同的产品族 |
| 缺点 | 描述 |
|---|---|
| ❌ 增加复杂度 | 引入了额外的抽象层次，可能使系统更加复杂。增加新的产品等级结构麻烦，需要对原有系统进行较大的修改，甚至需要修改抽象层代码，这显然会带来较大的不便，违背了开闭原则 |
| ❌ 不便于单独替换产品 | 更换某一具体产品时可能需要修改所有相关工厂类 |
七、与其他模式对比（补充）
| 模式名称 | 目标 |
|---|---|
| 简单工厂模式 | 通过静态方法集中创建对象，适用于单一产品族的情况 |
| 工厂方法模式 | 提供一个创建对象的接口，但由子类决定实例化哪一个类 |
| 抽象工厂模式 | 创建一系列相关或相互依赖的对象，适合多个产品族的场景 |
八、最终小结
抽象工厂模式是一种强大的创建型设计模式，特别适用于那些需要创建一系列相关对象且希望保持高度灵活性和可扩展性的场景。通过将对象的创建逻辑封装在抽象工厂中，我们可以有效地分离关注点，提高系统的模块化程度。
在开发跨平台应用、多数据库支持系统、游戏引擎等项目中，抽象工厂模式能够帮助你更好地组织代码结构，减少重复代码，并提高系统的可维护性和可扩展性。
📌 一句话总结：
抽象工厂模式就像一个“产品生产线”，可以根据不同的需求生产出一系列配套的产品，确保产品之间的一致性和兼容性。
✅ 推荐使用场景：
- 当你需要创建一组相关的对象时；
- 希望将对象创建的逻辑集中在一处进行管理；
- 需要在运行时动态选择产品族。
扩展
开闭原则的倾斜性
增加产品族
对于增加新的产品族，抽象工厂模式很好地支持了开闭原则，只需要增加具体产品并对应增加一个新的具体工厂，对已有代码无须做任何修改
增加新的产品等级结构
对于增加新的产品等级结构，需要修改所有的工厂角色，包括抽象工厂类，在所有的工厂类中都需要增加生产新产品的方法，违背了开闭原则