常见面试题之设计模式--工厂方法模式

1. 概述

需求：设计一个咖啡店点餐系统。

设计一个咖啡类（Coffee），并定义其两个子类（美式咖啡【AmericanCoffee】和拿铁咖啡【LatteCoffee】）；再设计一个咖啡店类（CoffeeStore），咖啡店具有点咖啡的功能。

具体类的设计如下：

1.类图中的符号

• +：表示public
• -：表示private
• #：表示protected

2.泛化关系(继承)用带空心三角箭头的实线来表示

3.依赖关系使用带箭头的虚线来表示

package com.dcxuexi.factory.simple;

public class CoffeeStore {
    
    

    public static void main(String[] args) {
    
    
        Coffee coffee = orderCoffee("latte");
        System.out.println(coffee.getName());
    }


    public static Coffee orderCoffee(String type){
    
    
        Coffee coffee = null;
        if("american".equals(type)){
    
    
            coffee = new AmericanCoffee();
        }else if ("latte".equals(type)){
    
    
            coffee = new LatteCoffee();
        }

        //添加配料
        coffee.addMilk();
        coffee.addSuqar();
        return coffee;
    }
}

在java中，万物皆对象，这些对象都需要创建，如果创建的时候直接new该对象，就会对该对象耦合严重，假如我们要更换对象，所有new对象的地方都需要修改一遍，这显然违背了软件设计的开闭原则。如果我们使用工厂来生产对象，我们就只和工厂打交道就可以了，彻底和对象解耦，如果要更换对象，直接在工厂里更换该对象即可，达到了与对象解耦的目的；所以说，工厂模式最大的优点就是：解耦。

开闭原则：对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。简言之，是为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。

三种工厂

• 简单工厂模式
• 工厂方法模式
• 抽象工厂模式

2. 简单工厂模式

简单工厂不是一种设计模式，反而比较像是一种编程习惯。

2.1 结构

简单工厂包含如下角色：

• 抽象产品 ：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。
• 具体产品 ：实现或者继承抽象产品的子类
• 具体工厂 ：提供了创建产品的方法，调用者通过该方法来获取产品。

2.2 实现

现在使用简单工厂对上面案例进行改进，类图如下：

工厂类代码如下：

public class SimpleCoffeeFactory {
    
    

    public Coffee createCoffee(String type) {
    
    
        Coffee coffee = null;
        if("americano".equals(type)) {
    
    
            coffee = new AmericanoCoffee();
        } else if("latte".equals(type)) {
    
    
            coffee = new LatteCoffee();
        }
        return coffee;
    }
}

咖啡店

package com.dcxuexi.factory.simple;

public class CoffeeStore {
    
    

    public Coffee orderCoffee(String type){
    
    
        //通过工厂获得对象，不需要知道对象实现的细节
        SimpleCoffeeFactory factory = new SimpleCoffeeFactory();
        Coffee coffee = factory.createCoffee(type);
        //添加配料
        coffee.addMilk();
        coffee.addSuqar();
        return coffee;
    }
}

工厂（factory）处理创建对象的细节，一旦有了SimpleCoffeeFactory，CoffeeStore类中的orderCoffee()就变成此对象的客户，后期如果需要Coffee对象直接从工厂中获取即可。这样也就解除了和Coffee实现类的耦合，同时又产生了新的耦合，CoffeeStore对象和SimpleCoffeeFactory工厂对象的耦合，工厂对象和商品对象的耦合。

后期如果再加新品种的咖啡，我们势必要需求修改SimpleCoffeeFactory的代码，违反了开闭原则。工厂类的客户端可能有很多，比如创建美团外卖等，这样只需要修改工厂类的代码，省去其他的修改操作。

2.3 优缺点

优点：

封装了创建对象的过程，可以通过参数直接获取对象。把对象的创建和业务逻辑层分开，这样以后就避免了修改客户代码，如果要实现新产品直接修改工厂类，而不需要在原代码中修改，这样就降低了客户代码修改的可能性，更加容易扩展。

缺点：

增加新产品时还是需要修改工厂类的代码，违背了“开闭原则”。

2.4 扩展

静态工厂

在开发中也有一部分人将工厂类中的创建对象的功能定义为静态的，这个就是静态工厂模式，它也不是23种设计模式中的。代码如下：

public class SimpleCoffeeFactory {
    
    

    public static Coffee createCoffee(String type) {
    
    
        Coffee coffee = null;
        if("americano".equals(type)) {
    
    
            coffee = new AmericanoCoffee();
        } else if("latte".equals(type)) {
    
    
            coffee = new LatteCoffee();
        }
        return coffe;
    }
}

3. 工厂方法模式

针对上例中的缺点，使用工厂方法模式就可以完美的解决，完全遵循开闭原则。

3.1 概念

定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪个产品类对象。工厂方法使一个产品类的实例化延迟到其工厂的子类。

3.2 结构

工厂方法模式的主要角色：

• 抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，调用者通过它访问具体工厂的工厂方法来创建产品。
• 具体工厂（ConcreteFactory）：主要是实现抽象工厂中的抽象方法，完成具体产品的创建。
• 抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。
• 具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间一一对应。

3.3 实现

使用工厂方法模式对上例进行改进，类图如下：

流程：

代码如下：

抽象工厂：

public interface CoffeeFactory {
    
    

    Coffee createCoffee();
}

具体工厂：

public class LatteCoffeeFactory implements CoffeeFactory {
    
    

    public Coffee createCoffee() {
    
    
        return new LatteCoffee();
    }
}

public class AmericanCoffeeFactory implements CoffeeFactory {
    
    

    public Coffee createCoffee() {
    
    
        return new AmericanCoffee();
    }
}

咖啡店类：

public class CoffeeStore {
    
    

    private CoffeeFactory factory;

    public CoffeeStore(CoffeeFactory factory) {
    
    
        this.factory = factory;
    }

    public Coffee orderCoffee(String type) {
    
    
        Coffee coffee = factory.createCoffee();
        coffee.addMilk();
        coffee.addsugar();
        return coffee;
    }
}

从以上的编写的代码可以看到，要增加产品类时也要相应地增加工厂类，不需要修改工厂类的代码了，这样就解决了简单工厂模式的缺点。

工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象。由于使用了多态性，工厂方法模式保持了简单工厂模式的优点，而且克服了它的缺点。

3.4 优缺点

优点：

• 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品，无须知道产品的具体创建过程；
• 在系统增加新的产品时只需要添加具体产品类和对应的具体工厂类，无须对原工厂进行任何修改，满足开闭原则；

缺点：

• 每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类，这增加了系统的复杂度。

4. 抽象工厂模式

前面介绍的工厂方法模式中考虑的是一类产品的生产，如畜牧场只养动物、电视机厂只生产电视机、传智播客只培养计算机软件专业的学生等。

这些工厂只生产同种类产品，同种类产品称为同等级产品，也就是说：工厂方法模式只考虑生产同等级的产品，但是在现实生活中许多工厂是综合型的工厂，能生产多等级（种类） 的产品，如电器厂既生产电视机又生产洗衣机或空调，大学既有软件专业又有生物专业等。

本节要介绍的抽象工厂模式将考虑多等级产品的生产，将同一个具体工厂所生产的位于不同等级的一组产品称为一个产品族，下图所示

• 产品族：一个品牌下面的所有产品；例如华为下面的电脑、手机称为华为的产品族；
• 产品等级：多个品牌下面的同种产品；例如华为和小米都有手机电脑为一个产品等级；

4.1 概念

是一种为访问类提供一个创建一组相关或相互依赖对象的接口，且访问类无须指定所要产品的具体类就能得到同族的不同等级的产品的模式结构。

抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本，工厂方法模式只生产一个等级的产品，而抽象工厂模式可生产多个等级的产品。

一个超级工厂创建其他工厂。该超级工厂又称为其他工厂的工厂。

4.2 结构

抽象工厂模式的主要角色如下：

• 抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，它包含多个创建产品的方法，可以创建多个不同等级的产品。
• 具体工厂（Concrete Factory）：主要是实现抽象工厂中的多个抽象方法，完成具体产品的创建。
• 抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能，抽象工厂模式有多个抽象产品。
• 具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它 同具体工厂之间是多对一的关系。

4.3 实现

现咖啡店业务发生改变，不仅要生产咖啡还要生产甜点。

• 同一个产品等级（产品分类）
  • 咖啡：拿铁咖啡、美式咖啡
  • 甜点：提拉米苏、抹茶慕斯
• 同一个风味，就是同一个产品族（相当于同一个品牌）
  • 美式风味：美式咖啡、抹茶慕斯
  • 意大利风味：拿铁咖啡、提拉米苏

要是按照工厂方法模式，需要定义提拉米苏类、抹茶慕斯类、提拉米苏工厂、抹茶慕斯工厂、甜点工厂类，很容易发生类爆炸情况。

所以这个案例可以使用抽象工厂模式实现。类图如下：

实现关系使用带空心三角箭头的虚线来表示

整体调用思路：

4.4 优缺点

优点：

当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时，它能保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。

缺点：

当产品族中需要增加一个新的产品时，所有的工厂类都需要进行修改。

4.5 使用场景

• 当需要创建的对象是一系列相互关联或相互依赖的产品族时，如电器工厂中的电视机、洗衣机、空调等。

• 系统中有多个产品族，但每次只使用其中的某一族产品。如有人只喜欢穿某一个品牌的衣服和鞋。

• 系统中提供了产品的类库，且所有产品的接口相同，客户端不依赖产品实例的创建细节和内部结构。

如：输入法换皮肤，一整套一起换。生成不同操作系统的程序。