Java设计模式（5：设计模式的分类及工厂模式详解）

一、设计模式的分类

总的来说，设计模式可以分为三大类：创建型模式、结构型模式、行为型模式，具体如下图：

二、工厂模式

工厂模式分为简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式。其中简单工厂模式并不属于23种设计模式，但并不影响它的广泛使用。在JDK的源码当中，就存在着许多这样的例子。

2.1 简单工厂模式

我们先来看一段代码：

public static void main(String[] args) {
    // 日历类
    Calendar calendar = Calendar.getInstance();
    SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
    System.out.println("当前时间为：" + simpleDateFormat.format(calendar.getTime()));
    calendar.add(Calendar.HOUR,2);
    System.out.println("当前时间加了两个小时后,时间是: " + simpleDateFormat.format(calendar.getTime()));
}

这段代码，大家应该比较熟悉，通过对Calendar的一系列操作，打印出当前时间和当前时间加两个小时后的时间，这里我们来看看结果：

结果正和我们想象的一样，两次打印出来的时间相隔两个小时。但我们今天的重点是Calendar calendar = Calendar.getInstance()这段代码，通过getInstance()方法拿到了Calendar 类的实例。来看看具体的源代码：

public static Calendar getInstance(){
        return createCalendar(TimeZone.getDefault(), Locale.getDefault(Locale.Category.FORMAT));
  }

//  代码不全，有兴趣的朋友可以去看JDK源码
 private static Calendar createCalendar(TimeZone zone, Locale aLocale){
        // 中间的代码省略.....
        Calendar cal = null;
        if (aLocale.hasExtensions()) {
            String caltype = aLocale.getUnicodeLocaleType("ca");
            if (caltype != null) {
                switch (caltype) {
                case "buddhist":
                cal = new BuddhistCalendar(zone, aLocale);
                    break;
                case "japanese":
                    cal = new JapaneseImperialCalendar(zone, aLocale);
                    break;
                case "gregory":
                    cal = new GregorianCalendar(zone, aLocale);
                    break;
                }
            }
        }
        // 中间的代码省略.....
        return cal;
 }

可以看出，getInstance()方法里面调用了createCalendar()方法来得到Calendar类的实例，最后返回给调用者。而createCalendar()方法中通过switch(){case}的判断来返回所对应的Calendar类的实例，这其实就是简单工厂模式的一种应用。

看完简单工厂模式在JDK中的应用之后，我们来设计一下自己的例子：

小明家新开了一家小工厂，接了一单生意，帮助海尔（Haier）集团生产冰箱，并需要设计相应的方案。小明本身也是程序员出身，思考一会后就写出了下面的代码：

/**
 * 冰箱
 */
public interface IFridge {

    // 生产冰箱
    public void createFridge();

}

/**
 * 海尔
 */
public class Haier implements IFridge {
    @Override
    public void createFridge() {
        System.out.println("生产海尔冰箱...");
    }
}

客户端调用代码：

public static void main(String[] args) {
    IFridge iFridge = new Haier();
    iFridge.createFridge();
}

看上面的代码，父类IFridge类指向子类Haier类的引用，应用层需要依赖于Haier。如果业务扩展，后续增加格力（Gree）甚至更多，那么客户端这里的代码会越来越臃肿。所以，我们要想办法将这种依赖减弱，将创建IFridge对象的细节隐藏掉。我们用简单工厂模式优化一下：

创建Gree格力类

/**
 * 格力
 */
public class Gree implements IFridge {
    @Override
    public void createFridge() {
        System.out.println("生产格力冰箱...");
    }
}

创建FridgeFactory工厂类

/**
 * 冰箱工厂
 */
public class FridgeFactory {

    // 创建对应的 IFridge 实例
    public static IFridge createFridge(String name){
        if ("haier".equals(name)){
            return new Haier();
        } else if ("gree".equals(name)){
            return new Gree();
        }
        return null;
    }
}

修改客户端调用的代码：

public static void main(String[] args) {
    // 海尔
    IFridge haier = FridgeFactory.createFridge("haier");
    haier.createFridge();

    // 格力
    IFridge gree = FridgeFactory.createFridge("gree");
    gree.createFridge();
}

这样来看，虽然代码多了，但维护起来以及扩展起来就方便很多，来看一看类图：

当然，上面的FridgeFactory代码中依旧有些问题，如果我们需要增加生产美的（Midea）冰箱，那么我们就需要去修改createFridge()方法的代码，显然违背了开闭原则，我们来改造一下：

修改FridgeFactory工厂类

/**
 * 冰箱工厂
 */
public class FridgeFactory {

    // 创建对应的 IFridge 实例
    public static IFridge createFridge(String className){
        try {
            if (null != className && !"".equals(className)){
                // 反射
                return (IFridge)Class.forName(className).newInstance();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
}

修改客户端调用的代码

public static void main(String[] args) {
    // com.xxx.Haier  换成  自己 项目中 Haier 所在的位置  海尔
    IFridge haier = FridgeFactory.createFridge("com.xxx.Haier");
    haier.createFridge();

    // com.xxx.Gree  换成  自己 项目中 Gree 所在的位置  格力
    IFridge gree = FridgeFactory.createFridge("com.xxx.Gree");
    gree.createFridge();
}

优化之后，我们再也不需要随着业务的提升而去修改FridgeFactory类中的代码了。但是依旧有一个问题，createFridge()方法中的参数是字符串，如果有人乱填怎么办，那不就报错了，所以再来优化一下：

修改FridgeFactory工厂类

/**
 * 冰箱工厂
 */
public class FridgeFactory {

    // 创建对应的 IFridge 实例
    public static IFridge createFridge(Class<? extends IFridge> clazz){
        try {
            if (clazz != null){
                return clazz.newInstance();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
}

修改客户端调用的代码

public static void main(String[] args) {
    // 海尔
    FridgeFactory.createFridge(Haier.class).createFridge();

    // 格力
    FridgeFactory.createFridge(Gree.class).createFridge();
}

再来看一下类图：

简单工厂模式虽然好用，但也有它的局限性：工厂类的职责过重，不利于扩展更为复杂产品结构。

2.2 工厂方法模式

定义一个创建对象的接口，但让实现这个接口的类来决定实例化哪个类，工厂方法让类的实例化推迟到子类中进行。

在工厂方法模式中用户只需要关心所需产品对应的工厂，无须关心创建细节，而且加入新的产品符合开闭原则。

随着小明家新工厂的生意火爆，各类的订单都纷涌而至，各个牌子的厂家都想让小明家的工厂生产冰箱，小明无奈只能开了分工厂，并根据客户的品牌名给工厂取了对应的名字，其中海尔工厂生产海尔的冰箱，格力工厂生产格力的冰箱，美的工厂生产美的的冰箱。用代码演化就是下面这般：

IFridgeFactory类接口

public interface IFridgeFactory {
    public IFridge createIFridge();
}

海尔

// 海尔  工厂
public class HaierFactory implements IFridgeFactory {
    @Override
    public IFridge createIFridge() {
        return new Haier();
    }
}

格力

// 格力  工厂
public class GreeFactory implements IFridgeFactory {
    @Override
    public IFridge createIFridge() {
        return new Gree();
    }
}

美的

/**
 * 美的
 */
public class Midea implements IFridge {
    @Override
    public void createFridge() {
        System.out.println("生产美的冰箱...");
    }
}

// 美的
public class MideaFactory implements IFridgeFactory {
    @Override
    public IFridge createIFridge() {
        return new Midea();
    }
}

客户端调用：

public static void main(String[] args) {
    // 格力
    new GreeFactory().createIFridge().createFridge();

    // 海尔
    new HaierFactory().createIFridge().createFridge();

    // 美的
    new MideaFactory().createIFridge().createFridge();
}

这里其实就是细化了工厂，将业务拆分，利用了设计模式原则中的单一职责原则，让每个品牌对应工厂只干一件事，不去掺和其他品牌的事情。来看一看类图：

工厂方法模式适用于一下场景：

• 创建对象需要大量重复的代码
• 客户端（应用层）不依赖于产品类实例如何被创建、实现等细节
• 一个类通过其子类来指定创建哪个对象

工厂方法模式也有缺点：

• 类的个数容易过多，增加复杂度
• 增加了系统的抽象性和理解难度

2.3 抽象工厂模式

定义：提供一个创建一系列相关或者相互依赖对象的接口，无需指定他们具体的类。

这个定义读起来相当的拗口，很抽象，不好理解。还是和上面的例子结合来说明：

在生产完一批冰箱并上市售卖之后，美的、格力、海尔等公司非常满意，慢慢的将自己家的空调、热水器也交给小明家的工厂去生产了。小明为此在对应的品牌工厂有开辟了对应的生产设备的空间（这里为了大家看的方便，我将所有的代码都放上去）：

冰箱、空调、热水器接口

// 冰箱
public interface IFridge {
    // 生产冰箱
    public void createFridge();
}

// 空调
public interface IAirConditioner {
    // 生产空调
    public void createAirConditioner();
}

// 热水器
public interface IWaterHeater {
    // 生产热水器
    public void createWaterHeater();
}

海尔

/**
 * 海尔 冰箱
 */
public class HaierFridge implements IFridge{
    @Override
    public void createFridge() {
        System.out.println("生产海尔冰箱...");
    }
}

// 海尔 空调
public class HaierAirConditioner implements IAirConditioner {
    @Override
    public void createAirConditioner() {
        System.out.println("生产海尔空调...");
    }
}

// 海尔热水器
public class HaierWaterHeater implements IWaterHeater {

    @Override
    public void createWaterHeater() {
        System.out.println("生产海尔热水器...");
    }
}

格力

/**
 * 格力 冰箱
 */
public class GreeFridge implements IFridge {
    @Override
    public void createFridge() {
        System.out.println("生产格力冰箱...");
    }
}

// 格力 空调
public class GreeAirConditioner implements IAirConditioner {
    @Override
    public void createAirConditioner() {
        System.out.println("生产格力空调...");
    }
}

// 格力热水器
public class GreeWaterHeater implements IWaterHeater {
    @Override
    public void createWaterHeater() {
        System.out.println("生产格力热水器...");
    }
}

美的

/**
 * 美的 冰箱
 */
public class MideaFridge implements IFridge{
    @Override
    public void createFridge() {
        System.out.println("生产美的冰箱...");
    }
}

// 美的 空调
public class MideaAirConditioner implements IAirConditioner {
    @Override
    public void createAirConditioner() {
        System.out.println("生产美的空调...");
    }
}

// 美的热水器
public class MideaWaterHeater implements IWaterHeater {
    @Override
    public void createWaterHeater() {
        System.out.println("生产美的热水器...");
    }
}

工厂接口

public interface IFactory {
	// 冰箱
    public IFridge createIFridge();
	// 空调
    public IAirConditioner createIConditioner();
	// 热水器
    public IWaterHeater createIWaterHeater();
}

海尔工厂

// 海尔  工厂
public class HaierFactory implements IFactory {
    // 冰箱
    @Override
    public IFridge createIFridge() {
        return new HaierFridge();
    }

    // 空调
    @Override
    public IAirConditioner createIConditioner() {
        return new HaierAirConditioner();
    }

    // 热水器
    @Override
    public IWaterHeater createIWaterHeater() {
        return new HaierWaterHeater();
    }
}

格力工厂

// 格力
public class GreeFactory implements IFactory {
    // 冰箱
    @Override
    public IFridge createIFridge() {
        return new GreeFridge();
    }
	// 空调
    @Override
    public IAirConditioner createIConditioner() {
        return new GreeAirConditioner();
    }
	// 热水器
    @Override
    public IWaterHeater createIWaterHeater() {
        return new GreeWaterHeater();
    }
}

美的工厂

// 美的
public class MideaFactory implements IFactory {
    // 冰箱
    @Override
    public IFridge createIFridge() {
        return new MideaFridge();
    }
	// 空调
    @Override
    public IAirConditioner createIConditioner() {
        return new MideaAirConditioner();
    }
    // 热水器
    @Override
    public IWaterHeater createIWaterHeater() {
        return new MideaWaterHeater();
    }
}

客户端调用

public static void main(String[] args) {
	// 海尔工厂
    HaierFactory haierFactory = new HaierFactory();
    haierFactory.createIFridge().createFridge();
    haierFactory.createIConditioner().createAirConditioner();
    haierFactory.createIWaterHeater().createWaterHeater();

	// 格力工厂
    GreeFactory greeFactory = new GreeFactory();
    greeFactory.createIFridge().createFridge();
    greeFactory.createIConditioner().createAirConditioner();
    greeFactory.createIWaterHeater().createWaterHeater();

    // 美的工厂
    MideaFactory mideaFactory = new MideaFactory();
    mideaFactory.createIFridge().createFridge();
    mideaFactory.createIConditioner().createAirConditioner();
    mideaFactory.createIWaterHeater().createWaterHeater();
}

类图

从上面一大堆的代码，尤其是类图，我们可以很明显的感觉到，抽象工厂可以完美清晰的描述海尔、格力、美的三个品牌的冰箱、空调、热水器的庞大体系。但也正因为如此，抽象工厂给我们的视觉冲击有些大，能很明显的感觉到系统的复杂性、抽象性以及系统的极难扩展性；并且这里还隐藏着一个违背开闭原则的问题：

在工厂接口IFactory类中，如果在日后的产品升级当中，需要增加生产洗衣机的业务，那这里修改之后，所有实现IFactory接口的类都需要变动，很大程度增加了系统的不稳定性。

也正因为如此，在实际的业务开发中，我们不应该有着强烈的强迫症和洁癖，认为一个系统的结构设计必须要完美的符合各种原则。要结合实际的业务去思考，如果系统结构的等级更新不频繁的话，不遵守某些原则也是有必要性的，毕竟所有的技术都是为业务而服务的。