设计模式 | 抽象工厂模式

1 | 抽象工厂模式的概述

1.1 基本思想

工厂方法模式通过引人工厂等级结构，解决了简单工厂模式中工厂类职责太重的问题，但由于工厂方法模式中的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。有时候可能需要一个工厂能够提供多种产品对象，而不是单一的产品对象，例如一个电器工厂，它可以生产电视机、电冰箱、空调等多种电器，而不是只生产某一种电器。此时，可以考虑将一些相关的产品组成一个“产品族”，由同一个工厂来统一生产，这就是本章将要学习的抽象工厂模式的基本思想。

1.2 名词解释

抽象工厂模式是常用的创建型设计模式之一，它比工厂（方法）模式的抽象程度更高。在工厂（方法）模式中，每一个具体的工厂只需要生产一种具体产品，但在抽象工厂模式中，一个具体的工厂可以生产一组相关的具体产品，这样的一组产品称为产品族，产品族中的每一个产品都属于某一个产品继承等级结构。

了解抽象工厂模式前，我们先了解下两个名词概念：

(1)产品等级结构：产品等级结构即产品的继承结构，例如一个抽象类是电视机,其子类包括海尔电视机、海信电视机、TCL电视机，则抽象电视机与具体品牌的电视机之间构成了一个产品等级结构，抽象电视机是父类,而具体品牌的电视机是其子类。
(2)产品族：在抽象工厂模式中，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。例如海尔电器工厂生产的海尔电视机、海尔电冰箱，海尔电视机位于电视机产品等级结构中，海尔电冰箱位于电冰箱产品等级结构中，海尔电视机、海尔电冰箱构成了一个产品族。

1.3 抽象工厂模式的定义

抽象工厂模式为创建一组对象提供了一种解决方案。与工厂模式相比，抽象工厂模式中的具体工长不只是创建一种产品，而是负责创建一族产品。

抽象工厂模式：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无须指定它们具体的类。
Abstract Factory Pattern: Provide an interface for creating families of related or dependent objects without specifying their concrete classes.

抽象工厂模式又称为工具(Ki)模式，它是一种对象创建型模式。

2 | 抽象工厂的结构与实现

2.1 抽象工厂模式的结构
在抽象工厂模式中，每一个具体工厂都提供了多个工厂方法用于产生多种不同类型的产品，这些产品构成了一个产品族。
抽象工厂模式包含以下4个角色：

(1) AbstractFactory(抽象工厂)：它声明了一组用于创建一族产品的方法，每一个方法对应一种产品。
(2) ConcreteFactory(具体工厂)：它实现了在抽象工厂中声明创建产品的方法，生成一组具体产品，这些产品构成了一个产品族，每一个产品都位于某个产品等级结构中。
(3) AbstractProduct(抽象产品)：它为每种产品声明接口，在抽象产品中声明了产品所具有的业务方法。
(4) ConcreteProduct(具体产品)：它定义具体工厂生产的具体产品对象，实现抽象产品接口中声明的业务方法。

2.2 抽象工厂模式的实现
在抽象工厂中声明了多个工厂方法用于创建不同类型的产品，抽象工厂可以是接口，也可以是抽象类或者具体类。其典型代码如下：
应用实例举例，某公司要开发一套皮肤库，基于.NET 平台的桌面软件进行界面美化。

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代码设计：

接口 ISkinFactory 充当抽象工厂，其子类 SpringSkinFactory 和 SummerSkinFactory 充当具体的工厂。
接口 IButton、IComboBox 和 ITextFiled 充当抽象产品，其子类 SpringButton、SpringComboBox、SpringTextFiled 和 SummerButton、SummerComboBox、SummerTextFiled 充当具体的产品。

ISkinFactory

/// <summary>
/// 界面皮肤工厂接口，充当抽象工厂
/// </summary>
interface ISkinFactory
{
    IButton CreateButton();
    ITextFiled CreateTextFiled();
    IComboBox CreateComboBox();
}

SpringSkinFactory

/// <summary>
/// Spring 皮肤工厂，充当具体工厂
/// </summary>
class SpringSkinFactory : ISkinFactory
{
    public IButton CreateButton()
    {
        return new SpringButton();
    }

    public IComboBox CreateComboBox()
    {
        return new SpringComboBox();
    }

    public ITextFiled CreateTextFiled()
    {
        return new SpringTextFiled();
    }
}

IButton

/// <summary>
/// 按钮接口，充当抽象产品
/// </summary>
interface IButton
{
    void Display();
}

SpringButton

/// <summary>
/// Spring 按钮类，充当具体产品
/// </summary>
class SpringButton : IButton
{
    public void Display()
    {
        Console.WriteLine("显示浅绿色的按钮。");
    }
}

客户端 Program 中的 Main 调用

//xml配置文件与反射方式扩展
// 1.读取【App.config】配置文件
string factoryString = ConfigurationManager.AppSettings["spring"];
ISkinFactory skinFactory = (ISkinFactory)Assembly.Load("AbstractFactoryPattern").CreateInstance(factoryString);
IButton ibtn = skinFactory.CreateButton();
IComboBox iComBox = skinFactory.CreateComboBox();
ITextFiled iTextFiled = skinFactory.CreateTextFiled();

ibtn.Display();
iComBox.Display();
iTextFiled.Display();

其他实现类似，此处省略，查看完整代码demo =》https://gitee.com/dolayout/DesignPatternOfCSharp/tree/master/DesignPatternOfCSharp/AbstractFactoryPattern

3 | 抽象工厂模式中开闭原则的倾斜性

上面界面皮肤库中可以方便的增加新类型的皮肤库，但是该设计方案存在一个非常严重的问题：如果设计之初因为考虑不全面，忘记了某种类型的界面组件（比如单选按钮 RadioButton）提供不同皮肤下的风格显示，那么在向系统中增加单选按钮时将发现非常麻烦，无法在满足开闭原则的前提下增加单选按钮，原因是抽象工厂 ISkinFactory 中根本没有提供创建单选按钮的方法，如果需要增加该按钮，首先要修改抽象工厂接口 ISkinFactory，在其中增加创建单选按钮的方法，然后逐个修改派生类中的具体工厂类，增加相应的方法，以便在不同的皮肤库中创建单选按钮，此外还需修改客户端，否则单选按钮无法用于现有系统。

抽象工厂模式无法很好的解决此类问题，这也是抽象工厂模式的最大缺点所在。在抽象工厂中，增加新的产品族很方便，但是增加新的产品等级结构很麻烦，抽象工厂模式的这种特性称为开闭原则的倾向性。开闭原则要求系统对扩展开放，对修改关闭，通过扩展达到增强其功能的目的，对于涉及多个产品族与多个产品等级结构的系统，其功能增强包括以下两点：

（1）增加产品族：对应新增加的产品族，抽象工厂模式很好地支持了开闭原则，只需增加具体的产品并对应的增加一个新的具体工厂即可，对已有的代码无需任何修改。
（2）增加新的产品等级结构：对应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要增加新的产品的方法，违背了开闭原则。

抽象工厂模式一种倾斜的方式来满足开闭原则，因此要求设计人员在设计之初就能考虑全面，否则会导致系统出现较大的修改，为后续的维护工作带来诸多的麻烦和风险。

4 | 抽象工厂模式的优缺点与适用场景

抽象工厂模式是工厂（方法）模式的进一步延伸，由于它提供了功能更为强大的工厂类并且具备较好的可扩展性，在软件开发中得以广泛应用，尤其是在一些框架和API类库的设计中。抽象工厂模式是软件开发中最常用的设计模式之一。
4.1 抽象工厂模式的主要优点

(1)抽象工厂模式隔离了具体类的生成，使得客户端并不需要知道什么被创建。由于这种隔离，更换一个具体工厂就变得相对容易，所有的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的公共接口，因此只需改变具体工厂的实例，就可以在某种程度上改变整个软件系统的行为。
(2)当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时，它能够保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。
(3)抽象工厂模式增加新的产品族很方便，无须修改已有系统,符合开闭原则。

4.2 抽象工厂模式的主要缺点
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。

4.3 抽象工厂模式的适用环境

(1)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，这对于所有类型的工厂模式都是很重要的，用户无须关心对象的创建过程，将对象的创建和使用解耦。
(2)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，可以通过配置文件等方式使用户能够动态地改变产品族，也可以很方便地增加新的产品族。
(3)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。同一个产品族中的产品可以是没有任何关系的对象，但是它们都具有一些共同的约束，如同一操作系统下的按钮和文本框，按钮与文本框之间没有直接关系，但它们都是属于某一操作系统的，此时具有一个共同的约束条件：操作系统的类型。
(4)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。