工廠的作用及工廠三兄弟之簡單工廠模式
0 建立物件與使用物件——談談工廠的作用
在設計模式的教學和推廣過程中，很多企業學員和在校學生經常問我，工廠模式（包括簡單工廠模式、工廠方法模式和抽象工廠模式）到底有什麼用，很多時候通過反射機制就可以很靈活地建立物件，為毛還要工廠？在本文中我將圍繞建立物件和使用物件來簡單談談工廠的作用。
與一個物件相關的職責通常有三類：物件本身所具有的職責、建立物件的職責和使用物件的職責。物件本身的職責比較容易理解，就是物件自身所具有的一些資料和行為，可通過一些公開的方法來實現它的職責。在本文中，我們將簡單討論一下物件的建立職責和使用職責。
在Java語言中，我們通常有以下幾種建立物件的方式：
(1)使用new
(2)通過反射機制建立物件；
(3)通過clone()方法建立物件；
(4)通過工廠類建立物件。
毫無疑問，在客戶端程式碼中直接使用new關鍵字是最簡單的一種建立物件的方式，但是它的靈活性較差，下面通過一個簡單的示例來加以說明：
class LoginAction { private UserDAO udao; public LoginAction() { udao = new JDBCUserDAO(); //建立物件 } public void execute() { //其他程式碼 udao.findUserById(); //使用物件 //其他程式碼 } }
在LoginAction類中定義了一個UserDAO型別的物件udao，在LoginAction的建構函式中建立了JDBCUserDAO型別的udao物件，並在execute()方法中呼叫了udao物件的findUserById()方法，這段程式碼看上去並沒有什麼問題。下面我們來分析一下LoginAction和UserDAO之間的關係，LoginAction類負責建立了一個UserDAO子類的物件並使用UserDAO的方法來完成相應的業務處理，也就是說LoginAction即負責udao的建立又負責udao的使用，建立物件和使用物件的職責耦合在一起，這樣的設計會導致一個很嚴重的問題：如果在LoginAction
最常用的一種解決方法是將udao物件的建立職責從LoginAction類中移除，在LoginAction類之外建立物件，那麼誰來負責建立UserDAO物件呢？答案是：工廠類。通過引入工廠類，客戶類（如LoginAction）不涉及物件的建立，物件的建立者也不會涉及物件的使用。引入工廠類UserDAOFactory之後的結構如圖1所示：
圖1 引入工廠類之後的結構圖
工廠類的引入將降低因為產品或工廠類改變所造成的維護工作量。如果UserDAO的某個子類的建構函式發生改變或者要需要新增或移除不同的子類，只要維護UserDAOFactory的程式碼，而不會影響到LoginAction；如果UserDAO的介面發生改變，例如新增、移除方法或改變方法名，只需要修改LoginAction，不會給UserDAOFactory帶來任何影響。
在所有的工廠模式中，我們都強調一點：兩個類A和B之間的關係應該僅僅是A建立B或是A使用B，而不能兩種關係都有。將物件的建立和使用分離，也使得系統更加符合“單一職責原則”，有利於對功能的複用和系統的維護。
此外，將物件的建立和使用分離還有一個好處：防止用來例項化一個類的資料和程式碼在多個類中到處都是，可以將有關建立的知識搬移到一個工廠類中，這在Joshua Kerievsky的《重構與模式》一書中有專門的一節來進行介紹。因為有時候我們建立一個物件不只是簡單呼叫其建構函式，還需要設定一些引數，可能還需要配置環境，如果將這些程式碼散落在每一個建立物件的客戶類中，勢必會出現程式碼重複、建立蔓延的問題，而這些客戶類其實無須承擔物件的建立工作，它們只需使用已建立好的物件就可以了。此時，可以引入工廠類來封裝物件的建立邏輯和客戶程式碼的例項化/配置選項。
使用工廠類還有一個“不是特別明顯的”優點，一個類可能擁有多個建構函式，而在Java、C#等語言中建構函式名字都與類名相同，客戶端只能通過傳入不同的引數來呼叫不同的建構函式建立物件，從建構函式和引數列表中也許大家根本不瞭解不同建構函式所構造的產品的差異。但如果將物件的建立過程封裝在工廠類中，我們可以提供一系列名字完全不同的工廠方法，每一個工廠方法對應一個建構函式，客戶端可以以一種更加可讀、易懂的方式來建立物件，而且，從一組工廠方法中選擇一個意義明確的工廠方法，比從一組名稱相同引數不同的建構函式中選擇一個建構函式要方便很多。如圖2所示：
那麼，有人可能會問，是否需要為設計中的每一個類都配備一個工廠類？答案是：具體情況具體分析。如果產品類很簡單，而且不存在太多變數，其構造過程也很簡單，此時無須為其提供工廠類，直接在使用之前例項化即可，例如Java語言中的String類，我們就無須為它專門提供一個StringFactory，這樣做反而有點像殺雞用牛刀，大材小用，而且會導致工廠氾濫，增加系統的複雜度。
工廠三兄弟之簡單工廠模式
工廠模式是最常用的一類建立型設計模式，通常我們所說的工廠模式是指工廠方法模式，它也是使用頻率最高的工廠模式。本章將要學習的簡單工廠模式是工廠方法模式的“小弟”，它不屬於GoF 23種設計模式，但在軟體開發中應用也較為頻繁，通常將它作為學習其他工廠模式的入門。此外，工廠方法模式還有一位“大哥”——抽象工廠模式。這三種工廠模式各具特色，難度也逐個加大，在軟體開發中它們都得到了廣泛的應用，成為面向物件軟體中常用的建立物件的工具。
1 圖表庫的設計
|
Sunny軟體公司欲基於Java語言開發一套圖表庫，該圖表庫可以為應用系統提供各種不同外觀的圖表，例如柱狀圖、餅狀圖、折線圖等。Sunny軟體公司圖表庫設計人員希望為應用系統開發人員提供一套靈活易用的圖表庫，而且可以較為方便地對圖表庫進行擴充套件，以便能夠在將來增加一些新型別的圖表。 |
Sunny軟體公司圖表庫設計人員提出了一個初始設計方案，將所有圖表的實現程式碼封裝在一個Chart類中，其框架程式碼如下所示：
class Chart {
private String type; //圖表型別
public Chart(Object[][] data, String type) {
this.type = type;
if (type.equalsIgnoreCase("histogram")) {
//初始化柱狀圖
}
else if (type.equalsIgnoreCase("pie")) {
//初始化餅狀圖
}
else if (type.equalsIgnoreCase("line")) {
//初始化折線圖
}
}
public void display() {
if (this.type.equalsIgnoreCase("histogram")) {
//顯示柱狀圖
}
else if (this.type.equalsIgnoreCase("pie")) {
//顯示餅狀圖
}
else if (this.type.equalsIgnoreCase("line")) {
//顯示折線圖
}
}
}
客戶端程式碼通過呼叫Chart類的建構函式來建立圖表物件，根據引數type的不同可以得到不同型別的圖表，然後再呼叫display()方法來顯示相應的圖表。
不難看出，Chart類是一個“巨大的”類，在該類的設計中存在如下幾個問題：
(1) 在Chart類中包含很多“if…else…”程式碼塊，整個類的程式碼相當冗長，程式碼越長，閱讀難度、維護難度和測試難度也越大；而且大量條件語句的存在還將影響系統的效能，程式在執行過程中需要做大量的條件判斷。
(2) Chart類的職責過重，它負責初始化和顯示所有的圖表物件，將各種圖表物件的初始化程式碼和顯示程式碼集中在一個類中實現，違反了“單一職責原則”，不利於類的重用和維護；而且將大量的物件初始化程式碼都寫在建構函式中將導致建構函式非常龐大，物件在建立時需要進行條件判斷，降低了物件建立的效率。
(3) 當需要增加新型別的圖表時，必須修改Chart類的原始碼，違反了“開閉原則”。
(4) 客戶端只能通過new關鍵字來直接建立Chart物件，Chart類與客戶端類耦合度較高，物件的建立和使用無法分離。
(5) 客戶端在建立Chart物件之前可能還需要進行大量初始化設定，例如設定柱狀圖的顏色、高度等，如果在Chart類的建構函式中沒有提供一個預設設定，那就只能由客戶端來完成初始設定，這些程式碼在每次建立Chart物件時都會出現，導致程式碼的重複。
面對一個如此巨大、職責如此重，且與客戶端程式碼耦合度非常高的類，我們應該怎麼辦？本章將要介紹的簡單工廠模式將在一定程度上解決上述問題。
2 簡單工廠模式概述
簡單工廠模式並不屬於GoF 23個經典設計模式，但通常將它作為學習其他工廠模式的基礎，它的設計思想很簡單，其基本流程如下：
首先將需要建立的各種不同物件（例如各種不同的Chart物件）的相關程式碼封裝到不同的類中，這些類稱為具體產品類，而將它們公共的程式碼進行抽象和提取後封裝在一個抽象產品類中，每一個具體產品類都是抽象產品類的子類；然後提供一個工廠類用於建立各種產品，在工廠類中提供一個建立產品的工廠方法，該方法可以根據所傳入的引數不同建立不同的具體產品物件；客戶端只需呼叫工廠類的工廠方法並傳入相應的引數即可得到一個產品物件。
簡單工廠模式定義如下：
|
簡單工廠模式(Simple Factory Pattern)：定義一個工廠類，它可以根據引數的不同返回不同類的例項，被建立的例項通常都具有共同的父類。因為在簡單工廠模式中用於建立例項的方法是靜態(static)方法，因此簡單工廠模式又被稱為靜態工廠方法(Static Factory Method)模式，它屬於類建立型模式。 |
簡單工廠模式的要點在於：當你需要什麼，只需要傳入一個正確的引數，就可以獲取你所需要的物件，而無須知道其建立細節。簡單工廠模式結構比較簡單，其核心是工廠類的設計，其結構如圖1所示：
圖1簡單工廠模式結構圖
在簡單工廠模式結構圖中包含如下幾個角色：
● Factory（工廠角色）：工廠角色即工廠類，它是簡單工廠模式的核心，負責實現建立所有產品例項的內部邏輯；工廠類可以被外界直接呼叫，建立所需的產品物件；在工廠類中提供了靜態的工廠方法factoryMethod()，它的返回型別為抽象產品型別Product。
● Product（抽象產品角色）：它是工廠類所建立的所有物件的父類，封裝了各種產品物件的公有方法，它的引入將提高系統的靈活性，使得在工廠類中只需定義一個通用的工廠方法，因為所有建立的具體產品物件都是其子類物件。
● ConcreteProduct（具體產品角色）：它是簡單工廠模式的建立目標，所有被建立的物件都充當這個角色的某個具體類的例項。每一個具體產品角色都繼承了抽象產品角色，需要實現在抽象產品中宣告的抽象方法。
在簡單工廠模式中，客戶端通過工廠類來建立一個產品類的例項，而無須直接使用new關鍵字來建立物件，它是工廠模式家族中最簡單的一員。
在使用簡單工廠模式時，首先需要對產品類進行重構，不能設計一個包羅永珍的產品類，而需根據實際情況設計一個產品層次結構，將所有產品類公共的程式碼移至抽象產品類，並在抽象產品類中宣告一些抽象方法，以供不同的具體產品類來實現，典型的抽象產品類程式碼如下所示：
abstract class Product {
//所有產品類的公共業務方法
public void methodSame() {
//公共方法的實現
}
//宣告抽象業務方法
public abstract void methodDiff();
}
在具體產品類中實現了抽象產品類中宣告的抽象業務方法，不同的具體產品類可以提供不同的實現，典型的具體產品類程式碼如下所示：
class ConcreteProduct extends Product {
//實現業務方法
public void methodDiff() {
//業務方法的實現
}
}
簡單工廠模式的核心是工廠類，在沒有工廠類之前，客戶端一般會使用new關鍵字來直接建立產品物件，而在引入工廠類之後，客戶端可以通過工廠類來建立產品，在簡單工廠模式中，工廠類提供了一個靜態工廠方法供客戶端使用，根據所傳入的引數不同可以建立不同的產品物件，典型的工廠類程式碼如下所示：
class Factory {
//靜態工廠方法
public static Product getProduct(String arg) {
Product product = null;
if (arg.equalsIgnoreCase("A")) {
product = new ConcreteProductA();
//初始化設定product
}
else if (arg.equalsIgnoreCase("B")) {
product = new ConcreteProductB();
//初始化設定product
}
return product;
}
} 在客戶端程式碼中，我們通過呼叫工廠類的工廠方法即可得到產品物件，典型程式碼如下所示：
class Client {
public static void main(String args[]) {
Product product;
product = Factory.getProduct("A"); //通過工廠類建立產品物件
product.methodSame();
product.methodDiff();
}
} 3 完整解決方案
為了將Chart類的職責分離，同時將Chart物件的建立和使用分離，Sunny軟體公司開發人員決定使用簡單工廠模式對圖表庫進行重構，重構後的結構如圖2所示：
圖2圖表庫結構圖
在圖2中，Chart介面充當抽象產品類，其子類HistogramChart、PieChart和LineChart充當具體產品類，ChartFactory充當工廠類。完整程式碼如下所示：
//抽象圖表介面：抽象產品類
interface Chart {
public void display();
}
//柱狀圖類：具體產品類
class HistogramChart implements Chart {
public HistogramChart() {
System.out.println("建立柱狀圖！");
}
public void display() {
System.out.println("顯示柱狀圖！");
}
}
//餅狀圖類：具體產品類
class PieChart implements Chart {
public PieChart() {
System.out.println("建立餅狀圖！");
}
public void display() {
System.out.println("顯示餅狀圖！");
}
}
//折線圖類：具體產品類
class LineChart implements Chart {
public LineChart() {
System.out.println("建立折線圖！");
}
public void display() {
System.out.println("顯示折線圖！");
}
}
//圖表工廠類：工廠類
class ChartFactory {
//靜態工廠方法
public static Chart getChart(String type) {
Chart chart = null;
if (type.equalsIgnoreCase("histogram")) {
chart = new HistogramChart();
System.out.println("初始化設定柱狀圖！");
}
else if (type.equalsIgnoreCase("pie")) {
chart = new PieChart();
System.out.println("初始化設定餅狀圖！");
}
else if (type.equalsIgnoreCase("line")) {
chart = new LineChart();
System.out.println("初始化設定折線圖！");
}
return chart;
}
}編寫如下客戶端測試程式碼：
class Client {
public static void main(String args[]) {
Chart chart;
chart = ChartFactory.getChart("histogram"); //通過靜態工廠方法建立產品
chart.display();
}
} 編譯並執行程式，輸出結果如下：
|
建立柱狀圖！ 初始化設定柱狀圖！ 顯示柱狀圖！ |
在客戶端測試類中，我們使用工廠類的靜態工廠方法建立產品物件，如果需要更換產品，只需修改靜態工廠方法中的引數即可，例如將柱狀圖改為餅狀圖，只需將程式碼：
|
chart = ChartFactory.getChart("histogram"); |
改為：
|
chart = ChartFactory.getChart("pie"); |
編譯並執行程式，輸出結果如下：
|
建立餅狀圖！ 初始化設定餅狀圖！ 顯示餅狀圖！ |
4 方案的改進
Sunny軟體公司開發人員發現在建立具體Chart物件時，每更換一個Chart物件都需要修改客戶端程式碼中靜態工廠方法的引數，客戶端程式碼將要重新編譯，這對於客戶端而言，違反了“開閉原則”，有沒有一種方法能夠在不修改客戶端程式碼的前提下更換具體產品物件呢？答案是肯定的，下面將介紹一種常用的實現方式。
我們可以將靜態工廠方法的引數儲存在XML或properties格式的配置檔案中，如下config.xml所示：
<?xml version="1.0"?>
<config>
<chartType>histogram</chartType>
</config>再通過一個工具類XMLUtil來讀取配置檔案中的字串引數，XMLUtil類的程式碼如下所示：
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import org.xml.sax.SAXException;
import java.io.*;
public class XMLUtil {
//該方法用於從XML配置檔案中提取圖表型別，並返回型別名
public static String getChartType() {
try {
//建立文件物件
DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
Document doc;
doc = builder.parse(new File("config.xml"));
//獲取包含圖表型別的文字節點
NodeList nl = doc.getElementsByTagName("chartType");
Node classNode = nl.item(0).getFirstChild();
String chartType = classNode.getNodeValue().trim();
return chartType;
}
catch(Exception e) {
e.printStackTrace();
return null;
}
}
}在引入了配置檔案和工具類XMLUtil之後，客戶端程式碼修改如下：
class Client {
public static void main(String args[]) {
Chart chart;
String type = XMLUtil.getChartType(); //讀取配置檔案中的引數
chart = ChartFactory.getChart(type); //建立產品物件
chart.display();
}
} 不難發現，在上述客戶端程式碼中不包含任何與具體圖表物件相關的資訊，如果需要更換具體圖表物件，只需修改配置檔案config.xml，無須修改任何原始碼，符合“開閉原則”。
|
5 簡單工廠模式的簡化
有時候，為了簡化簡單工廠模式，我們可以將抽象產品類和工廠類合併，將靜態工廠方法移至抽象產品類中，如圖3所示：
圖3簡化的簡單工廠模式
在圖3中，客戶端可以通過產品父類的靜態工廠方法，根據引數的不同建立不同型別的產品子類物件，這種做法在JDK等類庫和框架中也廣泛存在。
6 簡單工廠模式總結
簡單工廠模式提供了專門的工廠類用於建立物件，將物件的建立和物件的使用分離開，它作為一種最簡單的工廠模式在軟體開發中得到了較為廣泛的應用。
1.主要優點
簡單工廠模式的主要優點如下：
(1) 工廠類包含必要的判斷邏輯，可以決定在什麼時候建立哪一個產品類的例項，客戶端可以免除直接建立產品物件的職責，而僅僅“消費”產品，簡單工廠模式實現了物件建立和使用的分離。
(2) 客戶端無須知道所建立的具體產品類的類名，只需要知道具體產品類所對應的引數即可，對於一些複雜的類名，通過簡單工廠模式可以在一定程度減少使用者的記憶量。
(3) 通過引入配置檔案，可以在不修改任何客戶端程式碼的情況下更換和增加新的具體產品類，在一定程度上提高了系統的靈活性。
2.主要缺點
簡單工廠模式的主要缺點如下：
(1) 由於工廠類集中了所有產品的建立邏輯，職責過重，一旦不能正常工作，整個系統都要受到影響。
(2) 使用簡單工廠模式勢必會增加系統中類的個數（引入了新的工廠類），增加了系統的複雜度和理解難度。
(3) 系統擴充套件困難，一旦新增新產品就不得不修改工廠邏輯，在產品型別較多時，有可能造成工廠邏輯過於複雜，不利於系統的擴充套件和維護。
(4) 簡單工廠模式由於使用了靜態工廠方法，造成工廠角色無法形成基於繼承的等級結構。
3.適用場景
在以下情況下可以考慮使用簡單工廠模式：
(1) 工廠類負責建立的物件比較少，由於建立的物件較少，不會造成工廠方法中的業務邏輯太過複雜。
(2) 客戶端只知道傳入工廠類的引數，對於如何建立物件並不關心。
|