java之设计模式工厂三兄弟之抽象工厂模式

时间  2019-11-11
标签 java 设计 模式 工厂 兄弟 抽象 栏目 Java 繁體版
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【学习难度：★★★★☆，使用频率：★★★★★】 java

工厂方法模式经过引入工厂等级结构，解决了简单工厂模式中工厂类职责过重的问题，但因为工厂方法模式中的每一个工厂只生产一类产品，可能会致使系统中存在大量的工厂类，势必会增长系统的开销。此时，咱们能够考虑将一些相关的产品组成一个“产品族”，由同一个工厂来统一辈子产，这就是咱们本文将要学习的抽象工厂模式的基本思想。android

 

1 界面皮肤库的初始设计

 

       Sunny软件公司欲开发一套界面皮肤库，能够对Java桌面软件进行界面美化。为了保护版权，该皮肤库源代码不打算公开，而只向用户提供已打包为jar文件的class字节码文件。用户在使用时能够经过菜单来选择皮肤，不一样的皮肤将提供视觉效果不一样的按钮、文本框、组合框等界面元素，其结构示意图如图1所示：编程

图1 界面皮肤库结构示意图设计模式

       该皮肤库须要具有良好的灵活性和可扩展性，用户能够自由选择不一样的皮肤，开发人员能够在不修改既有代码的基础上增长新的皮肤。框架

 

       Sunny软件公司的开发人员针对上述要求，决定使用工厂方法模式进行系统的设计，为了保证系统的灵活性和可扩展性，提供一系列具体工厂来建立按钮、文本框、组合框等界面元素，客户端针对抽象工厂编程，初始结构如图2所示：dom

图2 基于工厂方法模式的界面皮肤库初始结构图工具

       在图2中，提供了大量工厂来建立具体的界面组件，能够经过配置文件更换具体界面组件从而改变界面风格。可是，此设计方案存在以下问题：学习

       (1) 当须要增长新的皮肤时，虽然不要修改现有代码，可是须要增长大量类，针对每个新增具体组件都须要增长一个具体工厂，类的个数成对增长，这无疑会致使系统愈来愈庞大，增长系统的维护成本和运行开销；测试

       (2) 因为同一种风格的具体界面组件一般要一块儿显示，所以须要为每一个组件都选择一个具体工厂，用户在使用时必须逐个进行设置，若是某个具体工厂选择失误将会致使界面显示混乱，虽然咱们能够适当增长一些约束语句，但客户端代码和配置文件都较为复杂。ui

       如何减小系统中类的个数并保证客户端每次始终只使用某一种风格的具体界面组件？这是Sunny公司开发人员所面临的两个问题，显然，工厂方法模式没法解决这两个问题，别着急，本文所介绍的抽象工厂模式可让这些问题迎刃而解。

2 产品等级结构与产品族

       在工厂方法模式中具体工厂负责生产具体的产品，每个具体工厂对应一种具体产品，工厂方法具备惟一性，通常状况下，一个具体工厂中只有一个或者一组重载的工厂方法。可是有时候咱们但愿一个工厂能够提供多个产品对象，而不是单一的产品对象，如一个电器工厂，它能够生产电视机、电冰箱、空调等多种电器，而不是只生产某一种电器。为了更好地理解抽象工厂模式，咱们先引入两个概念：

       (1) 产品等级结构：产品等级结构即产品的继承结构，如一个抽象类是电视机，其子类有海尔电视机、海信电视机、TCL电视机，则抽象电视机与具体品牌的电视机之间构成了一个产品等级结构，抽象电视机是父类，而具体品牌的电视机是其子类。

       (2) 产品族：在抽象工厂模式中，产品族是指由同一个工厂生产的，位于不一样产品等级结构中的一组产品，如海尔电器工厂生产的海尔电视机、海尔电冰箱，海尔电视机位于电视机产品等级结构中，海尔电冰箱位于电冰箱产品等级结构中，海尔电视机、海尔电冰箱构成了一个产品族。

       产品等级结构与产品族示意图如图3所示：

图3  产品族与产品等级结构示意图

       在图3中，不一样颜色的多个正方形、圆形和椭圆形分别构成了三个不一样的产品等级结构，而相同颜色的正方形、圆形和椭圆形构成了一个产品族，每个形状对象都位于某个产品族，并属于某个产品等级结构。图3中一共有五个产品族，分属于三个不一样的产品等级结构。咱们只要指明一个产品所处的产品族以及它所属的等级结构，就能够惟一肯定这个产品。

       当系统所提供的工厂生产的具体产品并非一个简单的对象，而是多个位于不一样产品等级结构、属于不一样类型的具体产品时就可使用抽象工厂模式。抽象工厂模式是全部形式的工厂模式中最为抽象和最具通常性的一种形式。抽象工厂模式与工厂方法模式最大的区别在于，工厂方法模式针对的是一个产品等级结构，而抽象工厂模式须要面对多个产品等级结构，一个工厂等级结构能够负责多个不一样产品等级结构中的产品对象的建立。当一个工厂等级结构能够建立出分属于不一样产品等级结构的一个产品族中的全部对象时，抽象工厂模式比工厂方法模式更为简单、更有效率。抽象工厂模式示意图如图4所示：

图4 抽象工厂模式示意图

       在图4中，每个具体工厂能够生产属于一个产品族的全部产品，例如生产颜色相同的正方形、圆形和椭圆形，所生产的产品又位于不一样的产品等级结构中。若是使用工厂方法模式，图4所示结构须要提供15个具体工厂，而使用抽象工厂模式只须要提供5个具体工厂，极大减小了系统中类的个数。

3 抽象工厂模式概述

       抽象工厂模式为建立一组对象提供了一种解决方案。与工厂方法模式相比，抽象工厂模式中的具体工厂不仅是建立一种产品，它负责建立一族产品。抽象工厂模式定义以下：

 

       抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern)：提供一个建立一系列相关或相互依赖对象的接口，而无须指定它们具体的类。抽象工厂模式又称为Kit模式，它是一种对象建立型模式。

 

       在抽象工厂模式中，每个具体工厂都提供了多个工厂方法用于产生多种不一样类型的产品，这些产品构成了一个产品族，抽象工厂模式结构如图5所示：

图5  抽象工厂模式结构图

       在抽象工厂模式结构图中包含以下几个角色：

       ● AbstractFactory（抽象工厂）：它声明了一组用于建立一族产品的方法，每个方法对应一种产品。

       ● ConcreteFactory（具体工厂）：它实现了在抽象工厂中声明的建立产品的方法，生成一组具体产品，这些产品构成了一个产品族，每个产品都位于某个产品等级结构中。

       ● AbstractProduct（抽象产品）：它为每种产品声明接口，在抽象产品中声明了产品所具备的业务方法。

       ● ConcreteProduct（具体产品）：它定义具体工厂生产的具体产品对象，实现抽象产品接口中声明的业务方法。

       在抽象工厂中声明了多个工厂方法，用于建立不一样类型的产品，抽象工厂能够是接口，也能够是抽象类或者具体类，其典型代码以下所示：

abstract class AbstractFactory {  
public abstract AbstractProductA createProductA(); //工厂方法一  
public abstract AbstractProductB createProductB(); //工厂方法二  
……  
}

    具体工厂实现了抽象工厂，每个具体的工厂方法能够返回一个特定的产品对象，而同一个具体工厂所建立的产品对象构成了一个产品族。对于每个具体工厂类，其典型代码以下所示：

class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory {  
    //工厂方法一  
public AbstractProductA createProductA() {  
    return new ConcreteProductA1();  
}  
  
//工厂方法二  
public AbstractProductB createProductB() {  
    return new ConcreteProductB1();  
}  
  
……  
}

4 完整解决方案

       Sunny公司开发人员使用抽象工厂模式来重构界面皮肤库的设计，其基本结构如图6所示：

图6 界面皮肤库结构图

       在图6中，SkinFactory接口充当抽象工厂，其子类SpringSkinFactory和SummerSkinFactory充当具体工厂，接口Button、TextField和ComboBox充当抽象产品，其子类SpringButton、SpringTextField、SpringComboBox和SummerButton、SummerTextField、SummerComboBox充当具体产品。完整代码以下所示：

//在本实例中咱们对代码进行了大量简化，实际使用时，界面组件的初始化代码较为复杂，还须要使用JDK中一些已有类，为了突出核心代码，在此只提供框架代码和演示输出。  
//按钮接口：抽象产品  
interface Button {  
    public void display();  
}  
  
//Spring按钮类：具体产品  
class SpringButton implements Button {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示浅绿色按钮。");  
    }  
}  
  
//Summer按钮类：具体产品  
class SummerButton implements Button {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示浅蓝色按钮。");  
    }     
}  
  
//文本框接口：抽象产品  
interface TextField {  
    public void display();  
}  
  
//Spring文本框类：具体产品  
class SpringTextField implements TextField {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示绿色边框文本框。");  
    }  
}  
  
//Summer文本框类：具体产品  
class SummerTextField implements TextField {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示蓝色边框文本框。");  
    }     
}  
  
//组合框接口：抽象产品  
interface ComboBox {  
    public void display();  
}  
  
//Spring组合框类：具体产品  
class SpringComboBox implements ComboBox {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示绿色边框组合框。");  
    }  
}  
  
//Summer组合框类：具体产品  
class SummerComboBox implements ComboBox {  
    public void display() {  
        System.out.println("显示蓝色边框组合框。");  
    }     
}  
  
//界面皮肤工厂接口：抽象工厂  
interface SkinFactory {  
    public Button createButton();  
    public TextField createTextField();  
    public ComboBox createComboBox();  
}  
  
//Spring皮肤工厂：具体工厂  
class SpringSkinFactory implements SkinFactory {  
    public Button createButton() {  
        return new SpringButton();  
    }  
  
    public TextField createTextField() {  
        return new SpringTextField();  
    }  
  
    public ComboBox createComboBox() {  
        return new SpringComboBox();  
    }  
}  
  
//Summer皮肤工厂：具体工厂  
class SummerSkinFactory implements SkinFactory {  
    public Button createButton() {  
        return new SummerButton();  
    }  
  
    public TextField createTextField() {  
        return new SummerTextField();  
    }  
  
    public ComboBox createComboBox() {  
        return new SummerComboBox();  
    }  
}

 为了让系统具有良好的灵活性和可扩展性，咱们引入了工具类XMLUtil和配置文件，其中，XMLUtil类的代码以下所示：

import javax.xml.parsers.*;  
import org.w3c.dom.*;  
import org.xml.sax.SAXException;  
import java.io.*;  
  
public class XMLUtil {  
//该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象  
    public static Object getBean() {  
        try {  
            //建立文档对象  
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();  
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();  
            Document doc;                             
            doc = builder.parse(new File("config.xml"));   
          
            //获取包含类名的文本节点  
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");  
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();  
            String cName=classNode.getNodeValue();  
              
            //经过类名生成实例对象并将其返回  
            Class c=Class.forName(cName);  
            Object obj=c.newInstance();  
            return obj;  
        }     
        catch(Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
            return null;  
        }  
    }  
}

配置文件config.xml中存储了具体工厂类的类名，代码以下所示：

<?xml version="1.0"?>  
<config>  
    <className>SpringSkinFactory</className>  
</config>

 编写以下客户端测试代码：

class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        //使用抽象层定义  
        SkinFactory factory;  
        Button bt;  
        TextField tf;  
        ComboBox cb;  
        factory = (SkinFactory)XMLUtil.getBean();  
        bt = factory.createButton();  
        tf = factory.createTextField();  
        cb = factory.createComboBox();  
        bt.display();  
        tf.display();  
        cb.display();  
    }  
}

编译并运行程序，输出结果以下：

显示浅绿色按钮。

显示绿色边框文本框。

显示绿色边框组合框。

       若是须要更换皮肤，只需修改配置文件便可，在实际环境中，咱们能够提供可视化界面，例如菜单或者窗口来修改配置文件，用户无须直接修改配置文件。若是须要增长新的皮肤，只需增长一族新的具体组件并对应提供一个新的具体工厂，修改配置文件便可使用新的皮肤，原有代码无须修改，符合“开闭原则”。

5 “开闭原则”的倾斜性

       Sunny公司使用抽象工厂模式设计了界面皮肤库，该皮肤库能够较为方便地增长新的皮肤，可是如今遇到一个很是严重的问题：因为设计时考虑不全面，忘记为单选按钮(RadioButton)提供不一样皮肤的风格化显示，致使不管选择哪一种皮肤，单选按钮都显得那么“格格不入”。Sunny公司的设计人员决定向系统中增长单选按钮，可是发现原有系统竟然不可以在符合“开闭原则”的前提下增长新的组件，缘由是抽象工厂SkinFactory中根本没有提供建立单选按钮的方法，若是须要增长单选按钮，首先须要修改抽象工厂接口SkinFactory，在其中新增声明建立单选按钮的方法，而后逐个修改具体工厂类，增长相应方法以实如今不一样的皮肤中建立单选按钮，此外还须要修改客户端，不然单选按钮没法应用于现有系统。

       怎么办？答案是抽象工厂模式没法解决该问题，这也是抽象工厂模式最大的缺点。在抽象工厂模式中，增长新的产品族很方便，可是增长新的产品等级结构很麻烦，抽象工厂模式的这种性质称为“开闭原则”的倾斜性。“开闭原则”要求系统对扩展开放，对修改封闭，经过扩展达到加强其功能的目的，对于涉及到多个产品族与多个产品等级结构的系统，其功能加强包括两方面：

       (1) 增长产品族：对于增长新的产品族，抽象工厂模式很好地支持了“开闭原则”，只须要增长具体产品并对应增长一个新的具体工厂，对已有代码无须作任何修改。

       (2) 增长新的产品等级结构：对于增长新的产品等级结构，须要修改全部的工厂角色，包括抽象工厂类，在全部的工厂类中都须要增长生产新产品的方法，违背了“开闭原则”。

       正由于抽象工厂模式存在“开闭原则”的倾斜性，它以一种倾斜的方式来知足“开闭原则”，为增长新产品族提供方便，但不能为增长新产品结构提供这样的方便，所以要求设计人员在设计之初就可以全面考虑，不会在设计完成以后向系统中增长新的产品等级结构，也不会删除已有的产品等级结构，不然将会致使系统出现较大的修改，为后续维护工做带来诸多麻烦。

 

6 抽象工厂模式总结

       抽象工厂模式是工厂方法模式的进一步延伸，因为它提供了功能更为强大的工厂类而且具有较好的可扩展性，在软件开发中得以普遍应用，尤为是在一些框架和API类库的设计中，例如在Java语言的AWT（抽象窗口工具包）中就使用了抽象工厂模式，它使用抽象工厂模式来实如今不一样的操做系统中应用程序呈现与所在操做系统一致的外观界面。抽象工厂模式也是在软件开发中最经常使用的设计模式之一。

 

       1. 主要优势

       抽象工厂模式的主要优势以下：

       (1) 抽象工厂模式隔离了具体类的生成，使得客户并不须要知道什么被建立。因为这种隔离，更换一个具体工厂就变得相对容易，全部的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的那些公共接口，所以只需改变具体工厂的实例，就能够在某种程度上改变整个软件系统的行为。

       (2) 当一个产品族中的多个对象被设计成一块儿工做时，它可以保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。

       (3) 增长新的产品族很方便，无须修改已有系统，符合“开闭原则”。

 

       2. 主要缺点

       抽象工厂模式的主要缺点以下：

       增长新的产品等级结构麻烦，须要对原有系统进行较大的修改，甚至须要修改抽象层代码，这显然会带来较大的不便，违背了“开闭原则”。

 

       3. 适用场景

       在如下状况下能够考虑使用抽象工厂模式：

       (1) 一个系统不该当依赖于产品类实例如何被建立、组合和表达的细节，这对于全部类型的工厂模式都是很重要的，用户无须关心对象的建立过程，将对象的建立和使用解耦。

       (2) 系统中有多于一个的产品族，而每次只使用其中某一产品族。能够经过配置文件等方式来使得用户能够动态改变产品族，也能够很方便地增长新的产品族。

       (3) 属于同一个产品族的产品将在一块儿使用，这一约束必须在系统的设计中体现出来。同一个产品族中的产品能够是没有任何关系的对象，可是它们都具备一些共同的约束，如同一操做系统下的按钮和文本框，按钮与文本框之间没有直接关系，但它们都是属于某一操做系统的，此时具备一个共同的约束条件：操做系统的类型。

       (4) 产品等级结构稳定，设计完成以后，不会向系统中增长新的产品等级结构或者删除已有的产品等级结构。

疑问

练习

Sunny软件公司欲推出一款新的手机游戏软件，该软件可以支持Symbian、Android和Windows Mobile等多个智能手机操做系统平台，针对不一样的手机操做系统，该游戏软件提供了不一样的游戏操做控制(OperationController)类和游戏界面控制(InterfaceController)类，并提供相应的工厂类来封装这些类的初始化过程。软件要求具备较好的扩展性以支持新的操做系统平台，为了知足上述需求，试采用抽象工厂模式对其进行设计。
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