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wzjs 2025/7/31 16:37:31

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【设计模式精讲 Day 2】工厂方法模式（Factory Method Pattern）

文章简述

在软件开发中，对象的创建和管理是构建可维护、可扩展系统的重要环节。工厂方法模式作为创建型设计模式的核心之一，提供了一种灵活的对象创建机制，将对象的实例化过程从具体业务逻辑中解耦，提升系统的可维护性和扩展性。本文详细讲解了工厂方法模式的定义、结构、适用场景与实现方式，并结合真实项目案例深入分析其价值。文章通过完整的Java代码示例展示了该模式的实现细节，并探讨了它与单例模式、抽象工厂模式等其他设计模式的关系。对于Java开发者而言，掌握工厂方法模式能够显著提升代码质量与架构灵活性。

正文内容

开篇：设计模式精讲 Day 2 —— 工厂方法模式

在“设计模式精讲”系列的第2天，我们将聚焦于工厂方法模式（Factory Method Pattern）。它是创建型模式中的重要一员，用于封装对象的创建过程，使得系统可以在不修改已有代码的前提下，灵活地引入新的对象类型。

工厂方法模式的核心思想是定义一个创建对象的接口，但让子类决定实例化哪个类。这种设计方式不仅提高了系统的可扩展性，也增强了代码的可维护性。在实际开发中，无论是日志记录器、数据库连接池还是图形界面组件的创建，工厂方法模式都能发挥重要作用。

接下来，我们将从理论到实践，全面解析工厂方法模式的原理与应用。

模式定义

工厂方法模式是一种创建型设计模式，它定义了一个创建对象的接口，但由子类决定实例化哪一个类。工厂方法让类的实例化延迟到子类中进行，从而避免了直接在客户端代码中硬编码具体的类名。

核心思想：将对象的创建职责交给子类，而不是在父类中硬编码。

该模式通过封装对象的创建逻辑，实现了对变化的隔离，使系统更加灵活、可扩展。

模式结构

工厂方法模式的UML类图包含以下几个关键角色：

角色	说明
`Product`	定义产品的接口或抽象类，所有具体产品都实现该接口。
`ConcreteProduct`	具体的产品类，实现 `Product` 接口。
`Creator`	声明工厂方法的接口，通常是一个抽象类或接口。
`ConcreteCreator`	实现工厂方法，返回具体的产品实例。

类图文字描述

Creator 是一个抽象类或接口，声明了一个名为 factoryMethod() 的抽象方法。
ConcreteCreator 继承自 Creator，并实现了 factoryMethod() 方法，返回一个具体的 Product 实例。
Product 是一个抽象类或接口，定义了产品的公共行为。
ConcreteProduct 是 Product 的具体实现类，提供了具体的实现。

适用场景

工厂方法模式适用于以下几种典型场景：

场景	说明
对象创建逻辑复杂	当创建对象的过程涉及多个步骤或条件判断时，使用工厂方法可以简化客户端代码。
系统需要支持多种产品变体	当系统需要根据不同的配置或环境动态选择不同的产品实现时，工厂方法可以灵活切换。
提高代码可维护性	将对象创建逻辑集中到工厂中，降低客户端与具体类之间的耦合度。
支持未来扩展	在不修改现有代码的前提下，通过新增 `ConcreteCreator` 和 `ConcreteProduct` 来支持新功能。

实现方式

下面是一个完整的Java代码示例，演示如何使用工厂方法模式创建不同类型的日志记录器。

1. 定义产品接口 `Log`

/*** 日志记录器接口*/
public interface Log {void write(String message);
}

2. 实现具体产品类 `ConsoleLog` 和 `FileLog`

/*** 控制台日志实现*/
public class ConsoleLog implements Log {@Overridepublic void write(String message) {System.out.println("控制台输出: " + message);}
}/*** 文件日志实现*/
public class FileLog implements Log {@Overridepublic void write(String message) {// 这里模拟写入文件操作System.out.println("文件输出: " + message);}
}

3. 定义工厂类 `LogFactory`（抽象类）

/*** 日志工厂抽象类，定义工厂方法*/
public abstract class LogFactory {/*** 工厂方法，由子类实现*/public abstract Log createLog();
}

4. 实现具体工厂类 `ConsoleLogFactory` 和 `FileLogFactory`

/*** 控制台日志工厂*/
public class ConsoleLogFactory extends LogFactory {@Overridepublic Log createLog() {return new ConsoleLog();}
}/*** 文件日志工厂*/
public class FileLogFactory extends LogFactory {@Overridepublic Log createLog() {return new FileLog();}
}

5. 使用工厂方法创建日志对象

public class Client {public static void main(String[] args) {// 创建控制台日志LogFactory consoleFactory = new ConsoleLogFactory();Log consoleLog = consoleFactory.createLog();consoleLog.write("这是控制台日志信息");// 创建文件日志LogFactory fileFactory = new FileLogFactory();Log fileLog = fileFactory.createLog();fileLog.write("这是文件日志信息");}
}

6. 单元测试代码（JUnit 5 示例）

import org.junit.jupiter.api.Test;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.*;class LogTest {@Testvoid testConsoleLog() {LogFactory factory = new ConsoleLogFactory();Log log = factory.createLog();assertNotNull(log);assertDoesNotThrow(() -> log.write("测试日志"));}@Testvoid testFileLog() {LogFactory factory = new FileLogFactory();Log log = factory.createLog();assertNotNull(log);assertDoesNotThrow(() -> log.write("测试日志"));}
}

工作原理

工厂方法模式通过将对象的创建逻辑封装在工厂类中，实现了解耦与多态的结合。客户端代码只需要调用工厂方法，而无需关心具体的类名或构造逻辑。这种方式使得系统更易于维护和扩展。

例如，在上述日志示例中，如果未来需要添加一个新的日志类型（如 EmailLog），只需新增一个 EmailLog 类和对应的 EmailLogFactory，而不需要修改现有的客户端代码。

优缺点分析

优点	缺点
1. 封装对象创建逻辑，降低耦合度	1. 增加了系统的复杂性，需要额外的类和接口
2. 提高系统的可扩展性	2. 对于简单的对象创建可能显得过于复杂
3. 符合开闭原则，易于添加新类型	3. 如果工厂类过多，可能导致类爆炸
4. 支持多态，便于统一处理不同类型对象

案例分析：日志系统的设计与重构

在某企业级应用中，原本的日志系统直接在业务逻辑中使用 new ConsoleLog() 或 new FileLog() 创建日志对象，导致代码耦合严重，难以维护。当需要增加新的日志方式（如邮件日志）时，必须修改所有相关代码。

问题：

直接实例化具体类，违反了依赖倒置原则。
扩展新日志类型需要修改原有代码，违反开闭原则。

解决方案：
采用工厂方法模式，将日志对象的创建交由工厂类完成。客户端代码不再依赖具体类，而是依赖工厂接口。

结果：

系统更加灵活，新增日志类型只需添加新的工厂和产品类。
客户端代码简洁，逻辑清晰。
提升了系统的可维护性和可测试性。

与其他模式的关系

1. 与单例模式（Singleton Pattern）的关系

工厂方法模式可以与单例模式结合使用，确保工厂类在整个系统中只有一个实例，从而保证日志工厂的一致性。例如，可以将 LogFactory 声明为单例类。

2. 与抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）的关系

工厂方法模式与抽象工厂模式有相似之处，但也有明显区别：

工厂方法：关注单一产品的创建，每个工厂只负责一种产品。
抽象工厂：关注一组相关产品的创建，适合创建多个相关对象。

在某些场景下，可以结合使用这两种模式。例如，一个日志系统可以同时支持控制台、文件、邮件等多种日志方式，此时可以使用抽象工厂来管理这些日志的组合创建。

3. 与建造者模式（Builder Pattern）的关系

虽然两者都涉及对象的创建，但侧重点不同：

工厂方法：专注于返回一个完整对象。
建造者：专注于分步骤构建复杂的对象。

在某些复杂对象的创建中，可以先使用建造者构建对象，再通过工厂方法返回最终结果。

总结

通过本篇文章，我们深入了解了工厂方法模式的核心思想、结构、实现方式及其在实际项目中的应用。该模式通过将对象的创建过程封装在工厂中，有效降低了系统耦合度，提升了代码的可维护性和可扩展性。

关键知识点回顾：

工厂方法模式是一种创建型设计模式，用于封装对象的创建过程。
它通过定义一个工厂方法，由子类决定实例化哪个类。
适用于对象创建逻辑复杂、需要支持多种产品变体的场景。
与单例、抽象工厂、建造者等模式有密切联系，可以根据需求灵活组合使用。

下一天预告：Day 3 将讲解抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern），它是工厂方法模式的进一步扩展，用于创建一系列相关或依赖对象的家族。敬请期待！

进一步学习资料

Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software
Java Design Patterns - A Tutorial
Factory Method Pattern in Java
Java Design Patterns - Factory Method
Effective Java (Second Edition) - Item 1: Consider using a factory method instead of constructors