设计模式之工厂方法模式

工厂方法模式（Factory Method Pattern）是设计模式中的一种创建型模式，它定义了一个用于创建对象的接口，但让子类决定要实例化的类是哪一个。工厂方法让类的实例化推迟到子类中进行。工厂方法模式是一种非常实用的模式，特别是在处理大量具有共同接口的类时，系统要基于多个扩展类的类型来决定实例化哪一个类。

一、工厂方法模式概述

1. 模式动机

在软件系统中，经常面临着“某个对象”的创建工作，由于需求的变化，这个对象的创建逻辑可能经常变化，但它却拥有比较稳定的接口。如何应对这种变化？如何设计出满足需求的类结构？工厂方法模式提供了一种解决方案。

2. 模式定义

工厂方法模式（Factory Method Pattern）又称为多态性工厂模式，它属于类创建型模式。在工厂方法模式中，工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口，而工厂子类则负责生成具体的产品对象，这样做的目的是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。

3. 模式结构

工厂方法模式包含以下四个角色：
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，也就是产品对象的共同父类或接口。
ConcreteProduct（具体产品）：实现了抽象产品接口的具体产品对象，被具体的工厂类所创建。
Creator（抽象工厂）：声明了工厂方法（Factory Method），用于返回一个产品。工厂方法是一个返回抽象产品类型的方法，其子类可以覆盖该方法以返回不同的具体产品类型。
ConcreteCreator（具体工厂）：实现了抽象工厂中的工厂方法，通过客户调用以返回具体产品类的实例。

4. 优缺点

优点：

用户只需要知道具体工厂类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。
灵活性增强，对于新产品的创建，只需继承一个具体工厂类或者添加一个具体工厂类，就可以实现扩展。

缺点：

类的个数容易过多，增加系统的复杂度，因为每增加一个产品，就需要增加一个具体产品类和一个具体工厂类。
系统扩展繁琐，如果要增加一个新的产品，除了增加新的产品类外，还需要增加新的具体工厂类，并在客户端中增加新的工厂类的实例。

二、工厂方法模式实现

1. 示例场景

假设我们有一个日志系统，需要支持多种日志记录方式（如文件日志、数据库日志、控制台日志等）。每种日志记录方式都有自己特定的实现，但对外都提供一个统一的接口。我们可以使用工厂方法模式来设计这个日志系统。

2. 角色定义

Log（抽象产品）：定义日志记录的接口。
FileLog（具体产品）：实现文件日志记录。
DatabaseLog（具体产品）：实现数据库日志记录。
LogFactory（抽象工厂）：声明创建日志记录的工厂方法。
FileLogFactory（具体工厂）：实现创建文件日志记录的工厂。
DatabaseLogFactory（具体工厂）：实现创建数据库日志记录的工厂。

3. Java代码实现

// 抽象产品：日志记录接口  
interface Log {  
    void writeLog(String message);  
}  
  
// 具体产品：文件日志记录  
class FileLog implements Log {  
    @Override  
    public void writeLog(String message) {  
        System.out.println("FileLog: " + message);  
    }  
}  
  
// 具体产品：数据库日志记录  
class DatabaseLog implements Log {  
    @Override  
    public void writeLog(String message) {  
        System.out.println("DatabaseLog: " + message);  
    }  
}  
  
// 抽象工厂：日志工厂接口  
interface LogFactory {  
    Log createLog();  
}  
  
// 具体工厂：文件日志工厂  
class FileLogFactory implements LogFactory {  
    @Override  
    public Log createLog() {  
        return new FileLog();  
    }  
}  
  
// 具体工厂：数据库日志工厂  
class DatabaseLogFactory implements LogFactory {  
    @Override  
    public Log createLog() {  
        return new DatabaseLog();  
    }  
}  
  
// 客户端代码  
public class Client {  
    public static void main(String[] args) {  
        // 使用文件日志  
        LogFactory fileLogFactory = new FileLogFactory();  
        Log fileLog = fileLogFactory.createLog();  
        fileLog.writeLog("This is a file log.");  
  
        // 使用数据库日志  
        LogFactory databaseLogFactory = new DatabaseLogFactory();  
        Log databaseLog = databaseLogFactory.createLog();  
        databaseLog.writeLog("This is a database log.");  
    }  
}

三、工厂方法模式的应用场景

当一个类不知道它所必须创建的对象的类的时候。
当一个类希望由它的子类来指定它所创建的对象的时候。
当类将创建对象的职责委托给多个帮助子类中的某一个，并且你希望将哪一个帮助子类是代理者这一信息局部化的时候。

四、工厂方法模式的扩展

1. 工厂方法模式的变体

简单工厂模式：简单工厂模式不属于GOF的23种设计模式之一，但它是一种非常常用的实例化对象的模式。简单工厂模式是由一个工厂对象决定创建出哪一种产品类的实例，类似于一个工厂类负责创建所有实例。
抽象工厂模式：抽象工厂模式提供一个接口，用于创建相关或依赖对象的家族，而不需要明确指定具体类。

2. 工厂方法模式与其他模式的结合

与单例模式结合：在某些情况下，工厂类本身就是一个单例，负责创建和管理所有的产品对象。
与策略模式结合：工厂方法模式可以与策略模式结合使用，将不同的算法封装成不同的产品类，由工厂类根据需求创建相应的算法对象。

五、总结

工厂方法模式是一种非常实用的设计模式，它通过定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。这种方式将对象的创建逻辑封装在工厂类中，使得客户端代码与具体的产品类解耦，提高了系统的灵活性和可扩展性。同时，工厂方法模式也具有一定的局限性，如类的个数容易过多、系统扩展繁琐等。因此，在设计系统时，需要根据实际情况选择合适的设计模式。

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