设计模式系列篇(二)——工厂模式

What

当创建逻辑比较复杂时，我们就可以考虑使用工厂模式，封装对象的创建过程，将对象的创建和使用分离开来。工厂模式分为三种更加细分的类型：简单工厂、工厂方法和抽象工厂，其中，简单工厂和工厂方法比较常用，抽象工厂在实际项目种并不常用。

Why

为什么需要工厂模式呢？当创建对象的逻辑比较复杂时，如果将对象创建和使用放在一起，会导致代码的可维护性和可扩展性都很差。
那么，什么情况下可视为创建对象的逻辑比较复杂呢？大致可以总结为以下两种情况：

  1. 创建对象时需要动态的根据不同的类型创建不同的对象，即含有较多的if-else分支。此时，使用工厂模式将对象创建逻辑封装至工厂类中，使得对象创建过程对对象使用来说是透明的。
  2. 对象创建过程需要做很多初始化操作，此时可以使用工厂模式，将复杂的初始化操作封装到工厂类中。

借助工厂模式，可以达到以下效果：
封装变化：创建逻辑有可能变化，封装成工厂类之后，创建逻辑的变更对调用者透明。
代码复用：创建代码抽离到独立的工厂类之后可以复用。
隔离复杂性：封装复杂的创建逻辑，调用者无需了解如何创建对象。
控制复杂度：将创建代码抽离出来，让原本的函数或类职责更单一，代码更简洁。

How

接下来，我们通过一个简单需求，来介绍工厂模式的实现方法。
需求如下：
一台笔记本电脑由CPU、内存条、硬盘等硬件组成，而CPU、内存条、硬盘有不同的品牌。比如，常见的CPU有Intel、AMD、IBM等品牌。一台笔记本的生产其实就是将生产好的CPU、内存条、硬盘进行组装即可。同时，笔记本也有不同的品牌。现在，我们将笔记本的生产过程进行抽象，翻译成代码。

首先，我们先以CPU的生产过程来介绍简单工厂和工厂方法两种方式。这里，我创建了CPU抽象类（Cpu），以及不同的品牌CPU类（IntelCpu、AmdCpu、IbmCpu）。Cpu类含有两个成员变量：brand和useTech，分别代表品牌和使用技术（仅做简单示例）；对于CPU生产过程，我们这里并没有展开去实现，只是打印说明了一下，关键还是想让大家重点关注工厂模式的实现方法。

public abstract class Cpu {
    private String brand;
    private String useTech;

    public Cpu(String brand, String useTech) {
        this.brand = brand;
        this.useTech = useTech;
    }

    public abstract void create();
}

public class IntelCpu extends Cpu {
    public IntelCpu() {
        super("Intel", "Intel use intel's unique technology");
        // Omitting complex initialization logic
        // ...
    }


    @Override
    public void create() {
        System.out.println("Intel CPU is creating");

        // Omitting complex creating logic
        // ...

        System.out.println("Intel CPU is created finished");
    }
}
// AmdCpu、IbmCpu代码和IntelCpu结构一致，因此省略

1. 简单工厂
简单工厂实现其实很简单，就是根据传入类型返回不同的对象。

public class CpuFactory {
    public static Cpu getCpuCreator(String brand) {
        Cpu cpu = null;
        if (brand == null) {
            throw new IllegalArgumentException("brand can not be empty");
        }

        if ("AMD".equals(brand)) {
            cpu = new AmdCpu();
        } else if ("Intel".equals(brand)) {
            cpu = new IntelCpu();
        } else if ("IBM".equals(brand)) {
            cpu = new IbmCpu();
        } else {
            throw new IllegalStateException(String.format("The brand of %s does not exist", brand));
        }

        return cpu;
    }
}

那么，笔记本的组装过程翻译为代码如下：

public class Laptop {
    private Cpu cpu;
    private Memory memory;

    public Laptop() {

    }

    public void create(String cpuBrand, String memoryBrand) {
        System.out.println("Laptop is creating");

        cpu = CpuFactory.getCpuCreator(cpuBrand);
        cpu.create();

        System.out.println("Laptop is created finished");
    }
}

在上面的代码实现中，我们每次调用 CpuFactory 的 getCpuCreator() 的时候，都要创建一个新的 cpu 对象。实际上，如果 cpu 可以复用，为了节省内存和对象创建的时间，我们可以将 cpu 对象事先创建好缓存起来。当调用 getCpuCreator() 函数的时候，我们从缓存中取出 cpu 对象直接使用。实现代码如下：

public class CpuFactory {
    private static final Map<String, Cpu> cachedCreators = new HashMap<>();
    static {
        cachedCreators.put("AMD", new AmdCpu());
        cachedCreators.put("Intel", new IntelCpu());
        cachedCreators.put("IBM", new IbmCpu());
    }

    public static Cpu getCpuCreator(String brand) {
        if (brand == null || brand.isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("brand can not be empty");
        }

        if (cachedCreators.containsKey(brand)) {
            return cachedCreators.get(brand);
        }

        throw new IllegalStateException(String.format("The brand of %s does not exist", brand));
    }
}

简单工厂模式的这两种实现方式非常简单，但如果要添加新的cpu品牌，必须得更改CpuFactory类；但是如果不需要频繁添加的话，这样实现也没问题，并不违反开闭原则。但如果需要频繁更改的话，简单工厂模式就要升级下了，这就是接下来要讲的工厂方法模式。

2. 工厂方法
工厂方法模式可以解决上述提到的问题，它为每一个cpu品牌都创建一个工厂类，然后用一个Map类将这些工厂类缓存起来，根据传入的类型值返回对应的工厂对象，最后再用该工厂去创建对象。实现方式如下：

public interface ICpuFactory {
    Cpu getCpuCreator();
}

public class AmdCpuFactory implements ICpuFactory {
    @Override
    public Cpu getCpuCreator() {
        return new AmdCpu();
    }
}

public class IntelCpuFactory implements ICpuFactory {
    @Override
    public Cpu getCpuCreator() {
        return new IntelCpu();
    }
}

public class IbmCpuFactory implements ICpuFactory {
    @Override
    public Cpu getCpuCreator() {
        return new IbmCpu();
    }
}

public class CpuFactoryMap {
    private static final Map<String, ICpuFactory> cachedCreatorFactories = new HashMap<>();
    static {
        cachedCreatorFactories.put("AMD", new AmdCpuFactory());
        cachedCreatorFactories.put("Intel", new IntelCpuFactory());
        cachedCreatorFactories.put("IBM", new IbmCpuFactory());
    }

    public static ICpuFactory getCpuCreatorFactory(String brand) {
        if (brand == null || brand.isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("brand can not be empty");
        }

        if (cachedCreatorFactories.containsKey(brand)) {
            return cachedCreatorFactories.get(brand);
        }

        throw new IllegalStateException(String.format("The brand of %s does not exist", brand));
    }
}

此时，笔记本的组装代码如下：

public class Laptop {
    private Cpu cpu;
    private Memory memory;

    public Laptop() {

    }

    public void createByFactoryMethod(String cpuBrand, String memoryBrand) {
        System.out.println("------------ factory method ------------");
        System.out.println("Laptop is creating");

        ICpuFactory cpuCreatorFactory = CpuFactoryMap.getCpuCreatorFactory(cpuBrand);
        cpuCreatorFactory.getCpuCreator().create();

        System.out.println("Laptop is created finished");
        System.out.println();
    }
}

此时当我们需要添加新的CPU品牌的时候，我们只需要创建新的 CPU 类和 CPU factory 类，并且在 CpuFactoryMap 类中，将新的 CPU factory 对象添加到 cachedFactories 中即可。代码的改动非常少，基本上符合开闭原则。

3. 抽象工厂
只对于CPU这一个组件，我们创建了3个工厂类。如果对于Memory、Driver等组件都和CPU一样，对每个组件都搞n个工厂类，这会导致类的个数非常多，增加了维护的成本；因此，我们可以只针对笔记本这个类建一个工厂，把所有组件的创建对象都放到这个工厂里面。这样的话，不同品牌的笔记本对应不同的笔记本工厂。实现方式如下：

public interface LaptopFactory {
    Cpu getCpuCreator();
    Memory getMemoryCreator();
}

public class MacLaptopFactory implements LaptopFactory {

    @Override
    public Cpu getCpuCreator() {
        return new IntelCpu();
    }

    @Override
    public Memory getMemoryCreator() {
        return new KingstonMemory();
    }
}

public class WindowsLaptopFactory implements LaptopFactory {

    @Override
    public Cpu getCpuCreator() {
        return new AmdCpu();
    }

    @Override
    public Memory getMemoryCreator() {
        return new CorsairMemory();
    }
}

public class LaptopFactoryMap {
    private static final Map<String, LaptopFactory> cachedLaptopFactories = new HashMap<>();
    static {
        cachedLaptopFactories.put("Mac", new MacLaptopFactory());
        cachedLaptopFactories.put("Windows", new WindowsLaptopFactory());
    }

    public static LaptopFactory getLaptopFactory(String laptopBrand){
        if (laptopBrand == null || laptopBrand.isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("brand can not be empty");
        }

        if (cachedLaptopFactories.containsKey(laptopBrand)) {
            return cachedLaptopFactories.get(laptopBrand);
        }

        throw new IllegalStateException(String.format("The laptopBrand of %s does not exist", laptopBrand));
    }
}

此时，电脑组装代码如下：

public class Laptop {
    private Cpu cpu;
    private Memory memory;

    public Laptop() {

    }

    public void createByAbstractFactory(String laptopBrand) {
        System.out.println("------------ abstract factory ------------");
        System.out.println(String.format("%s Laptop is creating", laptopBrand));

        LaptopFactory laptopFactory = LaptopFactoryMap.getLaptopFactory(laptopBrand);
        laptopFactory.getCpuCreator().create();
        laptopFactory.getMemoryCreator().create();

        System.out.println(String.format("%s Laptop is created finished", laptopBrand));
        System.out.println();
    }
}

抽象工厂的核心就是一个工厂类里面支持同时创建多个对象，这样就可以有效地减少工厂类的个数。

代码地址

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