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news 2025/10/13 23:17:13

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设计模式（二）创建型：工厂方法模式详解

工厂方法模式（Factory Method Pattern）是 GoF 23 种设计模式中的经典创建型模式，其核心价值在于将对象的创建过程延迟到子类，从而实现创建逻辑与使用逻辑的解耦。它通过定义一个创建对象的接口，但由子类决定实例化哪一个具体类，有效解决了“硬编码依赖”问题，提升了系统的可扩展性与可维护性。该模式广泛应用于框架设计、插件系统、跨平台组件库、依赖注入容器等场景，是构建灵活、可插拔软件架构的重要基石。掌握工厂方法模式，是理解现代软件“控制反转”（IoC）思想的关键一步。

一、工厂方法模式详细介绍

工厂方法模式的核心思想是定义一个用于创建对象的接口，但让子类决定实例化哪一个具体类。它将对象的创建职责从客户端代码中剥离出来，交由一个专门的“工厂”来完成，从而避免在代码中直接使用 new 关键字创建具体类，降低耦合度。

该模式涉及四个关键角色：

Product（产品接口）：定义所有具体产品类的公共接口，客户端仅依赖此抽象接口。
ConcreteProduct（具体产品类）：实现 Product 接口的具体类，代表系统中实际被创建的对象。
Creator（创建者抽象类或接口）：声明工厂方法 factoryMethod()，返回一个 Product 对象。Creator 可能还包含其他业务逻辑，这些逻辑会使用工厂方法返回的对象，但不关心其具体类型。
ConcreteCreator（具体创建者）：继承或实现 Creator，并重写工厂方法，返回一个具体的 ConcreteProduct 实例。

工厂方法模式的优势在于其开闭原则（Open-Closed Principle）的完美体现：当需要新增一种产品时，只需添加新的 ConcreteProduct 和对应的 ConcreteCreator，无需修改现有客户端或 Creator 的代码。这使得系统能够灵活应对需求变化，尤其适用于产品类型可能扩展的场景，如跨平台 UI 库（WindowsButton / MacButton）、数据库驱动（MySQLConnection / PostgreSQLConnection）等。

与简单工厂（Simple Factory）相比，工厂方法模式更符合面向对象设计原则，因为它不依赖条件判断来决定创建哪个类，而是通过继承和多态实现动态绑定，避免了“开关语句”带来的维护难题。

二、工厂方法模式的UML表示

以下是工厂方法模式的标准 UML 类图：

图解说明：

Product 是抽象产品接口，定义了所有产品共有的行为。
ConcreteProductA 和 ConcreteProductB 是具体产品类，分别实现 Product 接口。
Creator 是抽象创建者类，包含一个抽象的 factoryMethod() 方法，用于返回 Product 对象；同时包含 someOperation() 方法，该方法内部调用 factoryMethod() 获取产品并使用其功能。
ConcreteCreatorA 和 ConcreteCreatorB 是具体创建者，分别重写 factoryMethod() 以返回 ConcreteProductA 和 ConcreteProductB 的实例。
客户端代码通过 Creator 引用调用 someOperation()，实际创建和使用的产品类型由运行时的具体创建者决定，实现了多态创建。

三、一个简单的Java程序实例

以下是一个基于工厂方法模式的简单 Java 示例，模拟不同操作系统的按钮创建：

// 抽象产品接口
interface Button {void render();void onClick();
}// 具体产品类：Windows 按钮
class WindowsButton implements Button {public void render() {System.out.println("Rendering a Windows-style button.");}public void onClick() {System.out.println("Windows button clicked: Performing action...");}
}// 具体产品类：Mac 按钮
class MacButton implements Button {public void render() {System.out.println("Rendering a Mac-style button.");}public void onClick() {System.out.println("Mac button clicked: Triggering action...");}
}// 抽象创建者
abstract class Dialog {// 工厂方法：由子类实现public abstract Button createButton();// 业务逻辑：使用工厂方法创建的对象public void render() {Button button = createButton(); // 创建产品button.render();               // 使用产品button.onClick();}
}// 具体创建者：Windows 对话框
class WindowsDialog extends Dialog {@Overridepublic Button createButton() {return new WindowsButton();}
}// 具体创建者：Mac 对话框
class MacDialog extends Dialog {@Overridepublic Button createButton() {return new MacButton();}
}// 客户端代码
public class FactoryMethodDemo {private static Dialog dialog;// 根据环境配置决定使用哪个具体创建者static void configure() {if (System.getProperty("os.name").toLowerCase().contains("win")) {dialog = new WindowsDialog();} else {dialog = new MacDialog();}}static void runBusinessLogic() {dialog.render(); // 调用抽象方法，实际行为由具体创建者决定}public static void main(String[] args) {configure();runBusinessLogic();}
}

运行说明：

在 Windows 系统上运行时，configure() 方法会创建 WindowsDialog 实例，其 createButton() 返回 WindowsButton，输出 Windows 风格的渲染和点击信息。
在 macOS 上运行时，则使用 MacDialog 和 MacButton。
客户端 runBusinessLogic() 方法完全不关心具体产品类型，仅依赖抽象 Dialog 和 Button 接口，实现了创建与使用的解耦。

四、总结

工厂方法模式通过引入“工厂方法”这一间接层，成功实现了以下设计目标：

解耦创建与使用：客户端不直接依赖具体产品类，仅依赖抽象接口。
支持开闭原则：新增产品类型时无需修改现有代码，只需扩展新类。
提升可测试性：可通过模拟（Mock）工厂返回测试对象，便于单元测试。
促进模块化设计：将对象创建逻辑集中管理，避免散落在各处。

然而，该模式也带来一定复杂性：每新增一种产品，通常需要同时新增一个具体创建者类，可能导致类数量膨胀。因此，应在“灵活性需求”与“代码简洁性”之间权衡使用。

架构师洞见：
工厂方法模式是现代软件架构中“控制反转”（IoC）与“依赖注入”（DI）思想的雏形。在 Spring 等框架中，Bean 的创建虽不再显式使用工厂方法，但其背后仍是通过配置元数据（XML/注解）动态决定实例化哪个类，本质是工厂方法的集中化与配置化演进。架构师应认识到：工厂方法不仅是一种编码技巧，更是一种设计哲学——将“决策点”从代码中移出，交由更高层次的配置或运行时环境决定。未来，随着云原生与服务网格的发展，对象创建将进一步向运行时平台（如 Service Mesh、Serverless Runtime）转移，工厂方法的思想将以“声明式创建”、“自动注入”等形式持续演进。掌握其本质，才能在复杂系统中做出高内聚、低耦合的架构决策。

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