工厂方法模式 (Factory Method Pattern) 深度解析

🏭 工厂方法模式 (Factory Method Pattern) 深度解析

1. 模式动机与定义

1.1. 模式动机：符合“开闭原则”的工厂

在简单工厂模式中，一个工厂类负责所有产品的创建。当需要引入新产品时，必须修改工厂类的创建逻辑（例如添加新的 if-else 分支），这违背了“开闭原则” (对扩展开放，对修改关闭)。

工厂方法模式的动机在于：不再设计一个单一的工厂类来负责所有产品的创建，而是将具体产品的创建过程交给专门的工厂子类去完成。

• 定义一个抽象工厂类。
• 定义具体的工厂子类来生成具体的产品。

这种抽象化的结果是，如果出现新的产品类型，只需要为这种新产品创建一个具体的工厂类，而无需修改原有的抽象工厂和现有工厂类，使得系统具有极好的可扩展性。

1.2. 模式定义

工厂方法模式 (Factory Method Pattern)：

定义一个创建对象的接口，但让实现这个接口的子类来决定实例化哪个类。工厂方法模式将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成，即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体产品类。

工厂方法模式又称为工厂模式、虚拟构造器 (Virtual Constructor) 模式或多态工厂 (Polymorphic Factory) 模式，它属于类创建型模式。

2. 模式结构与角色

工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象和推广。

2.1. 模式角色

角色名称	职责描述
Product (抽象产品)	定义产品的接口，是工厂方法模式所创建对象的超类型。
ConcreteProduct (具体产品)	实现了抽象产品接口，是工厂创建的目标对象。
Factory (抽象工厂)	声明了工厂方法，用于返回一个产品。它是工厂方法模式的核心，任何创建对象的工厂类都必须实现该接口。
ConcreteFactory (具体工厂)	抽象工厂类的子类，实现了抽象工厂中定义的工厂方法，负责返回一个具体的产品实例。

2.2. 产品等级结构与产品族

• 产品等级结构：指抽象产品下所有具体产品类的继承结构（例如，Shape 下有 Circle 和 Rectangle）。
• 产品族：指由同一个工厂生产出来的，位于不同产品等级结构的一组产品（例如，A工厂生产鼠标和键盘，B工厂也生产鼠标和键盘）。（注意：产品族是抽象工厂模式的核心概念，在工厂方法模式中通常只关注产品等级结构。）

3. 代码分析与实例（日志记录器）

我们使用日志记录器的例子来体现工厂方法模式的结构。系统要求支持文件记录、数据库记录等多种日志记录方式。

3.1. Java 核心代码结构

// --- 1. 抽象产品 (Product) ---
public interface Logger {
    void writeLog(String message);
}

// --- 2. 具体产品 (ConcreteProduct) ---
public class FileLogger implements Logger {
    @Override
    public void writeLog(String message) {
        System.out.println("LOG to File: " + message);
    }
}

public class DatabaseLogger implements Logger {
    @Override
    public void writeLog(String message) {
        System.out.println("LOG to Database: " + message);
    }
}

// --- 3. 抽象工厂 (Factory) ---
public interface LoggerFactory {
    // 声明工厂方法，返回抽象产品类型
    Logger createLogger(); 
}

// --- 4. 具体工厂 (ConcreteFactory) ---
public class FileLoggerFactory implements LoggerFactory {
    @Override
    public Logger createLogger() {
        // 负责创建具体产品
        return new FileLogger(); 
    }
}

public class DatabaseLoggerFactory implements LoggerFactory {
    @Override
    public Logger createLogger() {
        return new DatabaseLogger();
    }
}

// --- 5. 客户端 (Client) ---
public class FactoryMethodDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 客户端只需要关心所需的工厂，并使用抽象类型进行操作
        LoggerFactory factory = new FileLoggerFactory(); 
        Logger logger = factory.createLogger();
        logger.writeLog("System started.");
        // Output: LOG to File: System started.

        // 切换到数据库记录，只需要更改具体工厂类的实例化
        LoggerFactory dbFactory = new DatabaseLoggerFactory();
        Logger dbLogger = dbFactory.createLogger();
        dbLogger.writeLog("User logged in.");
        // Output: LOG to Database: User logged in.
    }
}

4. 模式优点与缺点

4.1. 优点

1. 符合“开闭原则”：引入新产品时，只需增加新的具体产品类和新的具体工厂类，无须修改抽象工厂和现有工厂，系统的可扩展性非常好。
2. 封装创建细节：向客户隐藏了哪种具体产品类将被实例化这一细节，用户只需关心所需产品对应的工厂。
3. 多态性设计：基于工厂和产品的多态性设计是关键，所有的具体工厂类都具有同一抽象父类。

4.2. 缺点

1. 系统复杂度增加：在添加新产品时，需要编写新的具体产品类，而且还要提供与之对应的具体工厂类。系统中类的个数将成对增加，增加了系统的抽象性和理解难度，并带来额外的开销。
2. 抽象层引入：在客户端代码中均使用抽象层进行定义，增加了系统的抽象性和理解难度。

5. 适用环境与模式扩展

5.1. 适用环境

1. 一个类不知道它所需要的对象的类：客户端只需要知道所对应的工厂即可，具体的产品对象由具体工厂类创建。
2. 一个类通过其子类来指定创建哪个对象：利用多态性和里氏代换原则，在程序运行时，子类对象将覆盖父类对象，使得系统更容易扩展。
3. 需要动态指定工厂：将创建对象的任务委托给多个工厂子类中的某一个，客户端在使用时可以无须关心是哪一个工厂子类创建产品子类，需要时再动态指定（如通过配置文件）。

5.2. 模式扩展与退化

• 使用多个工厂方法：抽象工厂角色中可以定义多个工厂方法，以满足对不同的产品对象的需求。
• 模式的退化：
  • 如果工厂仅仅返回一个具体产品对象（即没有抽象产品或只有唯一的具体产品），工厂方法模式就发生了退化。
  • 当工厂等级结构中只有一个具体工厂类，且工厂方法被设计为静态方法时，工厂方法模式就退化成简单工厂模式。

5.3. 模式应用实例

• JDBC (Java Database Connectivity)：在 JDBC 中，DriverManager 类的 getConnection() 方法就是工厂方法模式的应用。它根据传入的 URL 动态选择并创建对应的 Connection 对象（具体产品）。
• 日志记录器：如上例所示，用户可以动态选择记录到文件、数据库或远程服务器。