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设计模式之抽象工厂模式

意图

抽象工厂模式 （Abstract Factory）是一种创建型设计模式，它能创建一系列相关的对象，而无需指定其具体类。

**优点 **

抽象工厂模式隔离了具体类的生成，用户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那些公共接口，因此只需要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。另外，应用抽象工厂模式可以实现高内聚低耦合的设计目的，因此抽象工厂模式得到了广泛的应用。
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。这对一些需要根据当前环境来决定其行为的软件系统来说，是一种非常实用的设计模式。
增加新的具体工厂和产品族很方便，无须修改已有系统，符合“开放封闭原则”。

缺点

在添加新的产品对象时，难以扩展抽象工厂来生产新种类的产品，这是因为在抽象工厂角色中规定了所有可能被创建的产品集合，要支持新种类的产品就意味着要对该接口进行扩展，而这将涉及到对抽象工厂角色及其所有子类的修改，显然会带来较大的不便。

适用场景

抽象工厂模式适用场景：

一个系统要独立于它的产品的创建、组合和表示时。

一个系统要由多个产品系列中的一个来配置时。

当你要强调一系列相关的产品对象的设计以便进行联合使用时。

当你提供一个产品类库，而只想显示它们的接口而不是实现时。

结构

结构说明

抽象产品 （Abstract Product）为构成系列产品的一组不同但相关的产品声明接口。
具体产品 （Concrete Product）是抽象产品的多种不同类型实现。所有变体（维多利亚/现代）都必须实现相应的抽象产品（椅子/沙发）。
抽象工厂 （Abstract Factory）接口声明了一组创建各种抽象产品的方法。
具体工厂 （Concrete Factory）实现抽象工厂的构建方法。每个具体工厂都对应特定产品变体，且仅创建此种产品变体。
尽管具体工厂会对具体产品进行初始化，其构建方法签名必须返回相应的抽象产品。这样，使用工厂类的客户端代码就不会与工厂创建的特定产品变体耦合。 客户端 （Client）只需通过抽象接口调用工厂和产品对象，就能与任何具体工厂/产品变体交互。

结构代码范式

【AbstractProduct】

声明一个接口，这个接口中包含产品对象类型。

abstract class AbstractProductA {
    public abstract void show();
}

abstract class AbstractProductB {
    public abstract void show();
}

【ConcreteProduct】

定义一个产品对象，这个产品对象是由相关的具体工厂创建的。

class ConcreteProductA1 extends AbstractProductA {
    @Override
    public void show() {
        System.out.println("ConcreteProductA1");
    }
}

class ConcreteProductA2 extends AbstractProductA {
    @Override
    public void show() {
        System.out.println("ConcreteProductA2");
    }
}

class ConcreteProductB1 extends AbstractProductB {
    @Override
    public void show() {
        System.out.println("ConcreteProductB1");
    }
}

class ConcreteProductB2 extends AbstractProductB {
    @Override
    public void show() {
        System.out.println("ConcreteProductB2");
    }
}

【AbstractFactory】

声明一个接口，这个接口中包含创建抽象产品对象的方法。

abstract class AbstractFactory {
    public abstract AbstractProductA createProductA();
    public abstract AbstractProductB createProductB();
}

【ConcreteFactory】

实现创建具体产品对象的方法。

class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory {
    @Override
    public AbstractProductA createProductA() {
        return new ConcreteProductA1();
    }

    @Override
    public AbstractProductB createProductB() {
        return new ConcreteProductB1();
    }
}

class ConcreteFactory2 extends AbstractFactory {
    @Override
    public AbstractProductA createProductA() {
        return new ConcreteProductA2();
    }

    @Override
    public AbstractProductB createProductB() {
        return new ConcreteProductB2();
    }
}

【客户端】

只使用 AbstractFactory 和 AbstractProduct 声明的接口。

public class AbstarctFactoryPattern {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractFactory  factory1  = new ConcreteFactory1();
        AbstractProductA productA1 = factory1.createProductA();
        AbstractProductB productB1 = factory1.createProductB();
        productA1.show();
        productB1.show();

        AbstractFactory  factory2  = new ConcreteFactory2();
        AbstractProductA productA2 = factory2.createProductA();
        AbstractProductB productB2 = factory2.createProductB();
        productA2.show();
        productB2.show();
    }
}

【输出】

ConcreteProductA1
ConcreteProductB1
ConcreteProductA2
ConcreteProductB2

伪代码

下面例子通过应用抽象工厂模式，使得客户端代码无需与具体 UI 类耦合，就能创建跨平台的 UI 元素，同时确保所创建的元素与指定的操作系统匹配。

跨平台应用中的相同 UI 元素功能类似，但是在不同操作系统下的外观有一定差异。此外，你需要确保 UI 元素与当前操作系统风格一致。你一定不希望在 Windows 系统下运行的应用程序中显示 macOS 的控件。

抽象工厂接口声明一系列构建方法，客户端代码可调用它们生成不同风格的 UI 元素。每个具体工厂对应特定操作系统，并负责生成符合该操作系统风格的 UI 元素。

其运作方式如下：应用程序启动后检测当前操作系统。根据该信息，应用程序通过与该操作系统对应的类创建工厂对象。其余代码使用该工厂对象创建 UI 元素。这样可以避免生成错误类型的元素。

使用这种方法，客户端代码只需调用抽象接口，而无需了解具体工厂类和 UI 元素。此外，客户端代码还支持未来添加新的工厂或 UI 元素。

这样一来，每次在应用程序中添加新的 UI 元素变体时，你都无需修改客户端代码。你只需创建一个能够生成这些 UI 元素的工厂类，然后稍微修改应用程序的初始代码，使其能够选择合适的工厂类即可。

// 抽象工厂接口声明了一组能返回不同抽象产品的方法。这些产品属于同一个系列
// 且在高层主题或概念上具有相关性。同系列的产品通常能相互搭配使用。系列产
// 品可有多个变体，但不同变体的产品不能搭配使用。
interface GUIFactory is
    method createButton():Button
    method createCheckbox():Checkbox


// 具体工厂可生成属于同一变体的系列产品。工厂会确保其创建的产品能相互搭配
// 使用。具体工厂方法签名会返回一个抽象产品，但在方法内部则会对具体产品进
// 行实例化。
class WinFactory implements GUIFactory is
    method createButton():Button is
        return new WinButton()
    method createCheckbox():Checkbox is
        return new WinCheckbox()

// 每个具体工厂中都会包含一个相应的产品变体。
class MacFactory implements GUIFactory is
    method createButton():Button is
        return new MacButton()
    method createCheckbox():Checkbox is
        return new MacCheckbox()


// 系列产品中的特定产品必须有一个基础接口。所有产品变体都必须实现这个接口。
interface Button is
    method paint()

// 具体产品由相应的具体工厂创建。
class WinButton implements Button is
    method paint() is
        // 根据 Windows 样式渲染按钮。

class MacButton implements Button is
    method paint() is
        // 根据 macOS 样式渲染按钮

// 这是另一个产品的基础接口。所有产品都可以互动，但是只有相同具体变体的产
// 品之间才能够正确地进行交互。
interface Checkbox is
    method paint()

class WinCheckbox implements Checkbox is
    method paint() is
        // 根据 Windows 样式渲染复选框。

class MacCheckbox implements Checkbox is
    method paint() is
        // 根据 macOS 样式渲染复选框。

// 客户端代码仅通过抽象类型（GUIFactory、Button 和 Checkbox）使用工厂
// 和产品。这让你无需修改任何工厂或产品子类就能将其传递给客户端代码。
class Application is
    private field factory: GUIFactory
    private field button: Button
    constructor Application(factory: GUIFactory) is
        this.factory = factory
    method createUI() is
        this.button = factory.createButton()
    method paint() is
        button.paint()


// 程序会根据当前配置或环境设定选择工厂类型，并在运行时创建工厂（通常在初
// 始化阶段）。
class ApplicationConfigurator is
    method main() is
        config = readApplicationConfigFile()

        if (config.OS == "Windows") then
            factory = new WinFactory()
        else if (config.OS == "Mac") then
            factory = new MacFactory()
        else
            throw new Exception("错误！未知的操作系统。")

        Application app = new Application(factory)

案例

众所周知，苹果和三星这两家世界级的电子产品厂商都生产手机和电脑。

我们以生产手机和电脑为例，演示一下抽象工厂模式的应用

【AbstractProduct 角色】

首先，定义手机和电脑两个抽象接口，他们都有各自的产品信息。

interface Telephone {
    public String getProductInfo();
}

interface Computer {
    public String getProductInfo();
}

【ConcreteProduct 角色】

ConcreteProduct 根据 AbstractProduct 来定义具体的产品属性、方法。

在我们的例子中，苹果、三星两家公司的手机和电脑都有各自的具体产品信息。

class AppleTelephone implements Telephone {

    @Override
    public String getProductInfo() {
        return "苹果手机，采用ios系统";
    }
}

class SamsungTelephone implements Telephone {

    @Override
    public String getProductInfo() {
        return "三星手机，采用android系统";
    }
}

class AppleComputer implements Computer {

    @Override
    public String getProductInfo() {
        return "苹果电脑，采用mac系统";
    }
}

class SamsungComputer implements Computer {

    @Override
    public String getProductInfo() {
        return "三星电脑，采用windows系统";
    }
}

【AbstractFactory 角色】

苹果，三星这两个厂商都生产手机和电脑。所以它们可以有一个抽象父类或父接口，提供生产手机和生产电脑的方法。

interface ElectronicFactory {

    public Telephone produceTelephone();

    public Computer produceComputer();
}

【ConcreteFactory 角色】

苹果、三星工厂分别实现父接口，生产不同类型的产品。

class AppleFactory implements ElectronicFactory {

    @Override
    public Telephone produceTelephone() {
        return new AppleTelephone();
    }

    @Override
    public Computer produceComputer() {
        return new AppleComputer();
    }
}

class SamsungFactory implements ElectronicFactory {

    @Override
    public Telephone produceTelephone() {
        return new SamsungTelephone();
    }

    @Override
    public Computer produceComputer() {
        return new SamsungComputer();
    }
}

【客户端】

public class PhoneFactoryDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ElectronicFactory appleFactory = new AppleFactory();
        Telephone phone = appleFactory.produceTelephone();
        System.out.println(phone.getProductInfo());
        Computer computer = appleFactory.produceComputer();
        System.out.println(computer.getProductInfo());
    }
}

【输出】

苹果手机，采用ios系统
苹果电脑，采用mac系统

与其他模式的关系

在许多设计工作的初期都会使用工厂方法模式（较为简单，而且可以更方便地通过子类进行定制），随后演化为使用抽象工厂模式、原型模式或生成器模式（更灵活但更加复杂）。
生成器重点关注如何分步生成复杂对象。抽象工厂专门用于生产一系列相关对象。 抽象工厂会马上返回产品， 生成器则允许你在获取产品前执行一些额外构造步骤。
抽象工厂模式通常基于一组工厂方法，但你也可以使用原型模式来生成这些类的方法。
当只需对客户端代码隐藏子系统创建对象的方式时，你可以使用抽象工厂来代替外观模式。
你可以将抽象工厂和桥接模式搭配使用。如果由桥接定义的抽象只能与特定实现合作，这一模式搭配就非常有用。在这种情况下， 抽象工厂可以对这些关系进行封装，并且对客户端代码隐藏其复杂性。
抽象工厂、生成器和原型都可以用单例模式来实现。

参考资料

《Head First 设计模式》
《大话设计模式》
设计模式教程

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