创建型模式-抽象工厂模式
创建型模式-抽象工厂模式
亦称: Abstract Factory
意图
抽象工厂模式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。
问题
假设你正在开发一款家具商店模拟器。 你的代码中包括一些类, 用于表示:
- 一系列相关产品, 例如
椅子
Chair 、沙发
Sofa和咖啡桌
CoffeeTable 。 - 系列产品的不同变体。 例如, 你可以使用
现代
Modern 、维多利亚
Victorian 、装饰风艺术
ArtDeco等风格生成椅子
、沙发
和咖啡桌
。
你需要设法单独生成每件家具对象, 这样才能确保其风格一致。 如果顾客收到的家具风格不一样, 他们可不会开心。
此外, 你也不希望在添加新产品或新风格时修改已有代码。 家具供应商对于产品目录的更新非常频繁, 你不会想在每次更新时都去修改核心代码的。
解决方案
首先, 抽象工厂模式建议为系列中的每件产品明确声明接口 (例如椅子、 沙发或咖啡桌)。 然后, 确保所有产品变体都继承这些接口。 例如, 所有风格的椅子都实现 椅子
接口; 所有风格的咖啡桌都实现 咖啡桌
接口, 以此类推。
接下来, 我们需要声明抽象工厂——包含系列中所有产品构造方法的接口。 例如 createChair
创建椅子 、 createSofa
创建沙发和 createCoffeeTable
创建咖啡桌 。 这些方法必须返回抽象产品类型, 即我们之前抽取的那些接口: 椅子
, 沙发
和 咖啡桌
等等。
那么该如何处理产品变体呢? 对于系列产品的每个变体, 我们都将基于 抽象工厂
接口创建不同的工厂类。 每个工厂类都只能返回特定类别的产品, 例如, 现代家具工厂
ModernFurnitureFactory只能创建 现代椅子
ModernChair 、 现代沙发
ModernSofa和 现代咖啡桌
ModernCoffeeTable对象。
客户端代码可以通过相应的抽象接口调用工厂和产品类。 你无需修改实际客户端代码, 就能更改传递给客户端的工厂类, 也能更改客户端代码接收的产品变体。
假设客户端想要工厂创建一把椅子。 客户端无需了解工厂类, 也不用管工厂类创建出的椅子类型。 无论是现代风格, 还是维多利亚风格的椅子, 对于客户端来说没有分别, 它只需调用抽象 椅子
接口就可以了。 这样一来, 客户端只需知道椅子以某种方式实现了 sitOn
坐下方法就足够了。 此外, 无论工厂返回的是何种椅子变体, 它都会和由同一工厂对象创建的沙发或咖啡桌风格一致。
最后一点说明: 如果客户端仅接触抽象接口, 那么谁来创建实际的工厂对象呢? 一般情况下, 应用程序会在初始化阶段创建具体工厂对象。 而在此之前, 应用程序必须根据配置文件或环境设定选择工厂类别。
抽象工厂模式结构
- 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。
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。
1 | // 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 |
抽象工厂模式适合应用场景
如果代码需要与多个不同系列的相关产品交互,但是由于无法提前获取相关信息,或者出于对未来扩展性的考虑,你不希望代码基于产品的具体类进行构建,在这种情况下,你可以使用抽象工厂。
抽象工厂为你提供了一个接口, 可用于创建每个系列产品的对象。 只要代码通过该接口创建对象, 那么你就不会生成与应用程序已生成的产品类型不一致的产品。
如果你有一个基于一组抽象方法的类,且其主要功能因此变得不明确,那么在这种情况下可以考虑使用抽象工厂模式。
在设计良好的程序中, 每个类仅负责一件事。 如果一个类与多种类型产品交互, 就可以考虑将工厂方法抽取到独立的工厂类或具备完整功能的抽象工厂类中。
实现方式
- 以不同的产品类型与产品变体为维度绘制矩阵。
- 为所有产品声明抽象产品接口。 然后让所有具体产品类实现这些接口。
- 声明抽象工厂接口, 并且在接口中为所有抽象产品提供一组构建方法。
- 为每种产品变体实现一个具体工厂类。
- 在应用程序中开发初始化代码。 该代码根据应用程序配置或当前环境, 对特定具体工厂类进行初始化。 然后将该工厂对象传递给所有需要创建产品的类。
- 找出代码中所有对产品构造函数的直接调用, 将其替换为对工厂对象中相应构建方法的调用。
抽象工厂模式优缺点
优点
- 你可以确保同一工厂生成的产品相互匹配。
- 你可以避免客户端和具体产品代码的耦合。
- 单一职责原则。 你可以将产品生成代码抽取到同一位置, 使得代码易于维护。
- 开闭原则。 向应用程序中引入新产品变体时, 你无需修改客户端代码。
缺点
- 由于采用该模式需要向应用中引入众多接口和类, 代码可能会比之前更加复杂。
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。
代码示例
抽象工厂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。
抽象工厂定义了用于创建不同产品的接口, 但将实际的创建工作留给了具体工厂类。 每个工厂类型都对应一个特定的产品变体。
在创建产品时, 客户端代码调用的是工厂对象的构建方法, 而不是直接调用构造函数 ( new
操作符)。 由于一个工厂对应一种产品变体, 因此它创建的所有产品都可相互兼容。
客户端代码仅通过其抽象接口与工厂和产品进行交互。 该接口允许同一客户端代码与不同产品进行交互。 你只需创建一个具体工厂类并将其传递给客户端代码即可。
在 C# 中使用模式
复杂度: ★★☆
流行度: ★★★
使用示例: 抽象工厂模式在 C# 代码中很常见。 许多框架和程序库会将它作为扩展和自定义其标准组件的一种方式。
识别方法: 我们可以通过方法来识别该模式——其会返回一个工厂对象。 接下来, 工厂将被用于创建特定的子组件。
概念示例
本例说明了抽象工厂设计模式的结构并重点回答了下面的问题:
- 它由哪些类组成?
- 这些类扮演了哪些角色?
- 模式中的各个元素会以何种方式相互关联?
Program.cs: 概念示例
1 | using System; |
Output.txt: 执行结果
1 | Client: Testing client code with the first factory type... |
在 C++ 中使用模式
复杂度: ★★☆
流行度: ★★★
使用示例: 抽象工厂模式在 C++ 代码中很常见。 许多框架和程序库会将它作为扩展和自定义其标准组件的一种方式。
识别方法: 我们可以通过方法来识别该模式——其会返回一个工厂对象。 接下来, 工厂将被用于创建特定的子组件。
概念示例
本例说明了抽象工厂设计模式的结构并重点回答了下面的问题:
- 它由哪些类组成?
- 这些类扮演了哪些角色?
- 模式中的各个元素会以何种方式相互关联?
main.cc: 概念示例
1 | /** |
Output.txt: 执行结果
1 | Client: Testing client code with the first factory type: |
在 Java 中使用模式
复杂度: ★★☆
流行度: ★★★
使用示例: 抽象工厂模式在 Java 代码中很常见。 许多框架和程序库会将它作为扩展和自定义其标准组件的一种方式。
以下是来自核心 Java 程序库的一些示例:
javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory#newInstance()
javax.xml.transform.TransformerFactory#newInstance()
javax.xml.xpath.XPathFactory#newInstance()
识别方法: 我们可以通过方法来识别该模式——其会返回一个工厂对象。 接下来, 工厂将被用于创建特定的子组件。
跨平台 GUI 组件系列及其创建方式
在本例中, 按钮和复选框将被作为产品。 它们有两个变体: macOS 版和 Windows 版。
抽象工厂定义了用于创建按钮和复选框的接口。 而两个具体工厂都会返回同一变体的两个产品。
客户端代码使用抽象接口与工厂和产品进行交互。 同样的代码能与依赖于不同工厂对象类型的多种产品变体进行交互。
buttons: 第一个产品层次结构
buttons/Button.java
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example.buttons; |
buttons/MacOSButton.java
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example.buttons; |
buttons/WindowsButton.java
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example.buttons; |
checkboxes: 第二个产品层次结构
checkboxes/Checkbox.java
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example.checkboxes; |
checkboxes/MacOSCheckbox.java
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example.checkboxes; |
checkboxes/WindowsCheckbox.java
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example.checkboxes; |
factories
factories/GUIFactory.java: 抽象工厂
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example.factories; |
factories/MacOSFactory.java: 具体工厂 ( macOS)
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example.factories; |
factories/WindowsFactory.java: 具体工厂 (Windows)
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example.factories; |
app
app/Application.java: 客户端代码
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example.app; |
Demo.java: 程序配置
1 | package refactoring_guru.abstract_factory.example; |
OutputDemo.txt: 执行结果
1 | You create WindowsButton. |
在 PHP 中使用模式
复杂度: ★★☆
流行度: ★★★
使用示例: 抽象工厂模式在 PHP 代码中很常见。 许多框架和程序库将它作为扩展和自定义其标准组件的一种方式。
识别方法: 我们可以通过方法来识别该模式——其会返回一个工厂对象。 接下来, 工厂将被用于创建特定的子组件。
概念示例
本例说明了抽象工厂设计模式的结构并重点回答了下面的问题:
- 它由哪些类组成?
- 这些类扮演了哪些角色?
- 模式中的各元素会以何种方式相互关联?
了解该模式的结构后, 你可以更容易地理解下面的基于实际情况的 PHP 应用案例。
index.php: 概念示例
1 |
|
Output.txt: 执行结果
1 | Client: Testing client code with the first factory type: |
真实世界示例
本例中, 抽象工厂模式提供了一个框架, 以为网页中的各种元素创建不同类型的模板。
只要网络应用的类独立于具体的渲染引擎类, 它就能同时支持不同的渲染引擎。 因此, 应用的对象仅能通过模板对象的抽象接口与其进行互动。 你的代码不能直接创建模板对象, 而是应该将创建行为委派给特殊的工厂对象。 最后, 你的代码也不能依赖于工厂对象, 而是应该通过抽象工厂接口与其进行交互。
你将能为应用中的每个渲染引擎提供相应的工厂对象。 应用中的所有模板都将由该工厂创建, 而且模板与工厂的类型相匹配。 如果你决定更改渲染引擎, 可将一个新的工厂对象传递给客户端代码, 无需对已有代码进行任何修改。
index.php: 真实世界示例
1 |
|
Output.txt: 执行结果
1 | Testing actual rendering with the PHPTemplate factory: |
在 Python 中使用模式
复杂度: ★★☆
流行度: ★★★
使用示例: 抽象工厂模式在 Python 代码中很常见。 许多框架和程序库会将它作为扩展和自定义其标准组件的一种方式。
识别方法: 我们可以通过方法来识别该模式——其会返回一个工厂对象。 接下来, 工厂将被用于创建特定的子组件。
概念示例
本例说明了抽象工厂设计模式的结构并重点回答了下面的问题:
- 它由哪些类组成?
- 这些类扮演了哪些角色?
- 模式中的各个元素会以何种方式相互关联?
main.py: 概念示例
1 | from __future__ import annotations |
Output.txt: 执行结果
1 | Client: Testing client code with the first factory type: |
在 Ruby 中使用模式
复杂度: ★★☆
流行度: ★★★
使用示例: 抽象工厂模式在 Ruby 代码中很常见。 许多框架和程序库会将它作为扩展和自定义其标准组件的一种方式。
识别方法: 我们可以通过方法来识别该模式——其会返回一个工厂对象。 接下来, 工厂将被用于创建特定的子组件。
概念示例
本例说明了抽象工厂设计模式的结构并重点回答了下面的问题:
- 它由哪些类组成?
- 这些类扮演了哪些角色?
- 模式中的各个元素会以何种方式相互关联?
main.rb: 概念示例
1 | # The Abstract Factory interface declares a set of methods that return different |
output.txt: 执行结果
1 | Client: Testing client code with the first factory type: |
在 Swift 中使用模式
复杂度: ★★☆
流行度: ★★★
使用示例: 抽象工厂模式在 Swift 代码中很常见。 许多框架和程序库会将它作为扩展和自定义其标准组件的一种方式。
识别方法: 我们可以通过方法来识别该模式——其会返回一个工厂对象。 接下来, 工厂将被用于创建特定的子组件。
概念示例
本例说明了抽象工厂设计模式的结构并重点回答了下面的问题:
- 它由哪些类组成?
- 这些类扮演了哪些角色?
- 模式中的各元素会以何种方式相互关联?
了解该模式的结构后, 你可以更容易地理解下面的基于实际情况的 Swift 应用案例。
Example.swift: 概念示例
1 | import XCTest |
Output.txt: 执行结果
1 | Client: Testing client code with the first factory type: |
真实世界示例
Example.swift: 真实世界示例
1 | import Foundation |
Output.txt: 执行结果
1 | Teacher View has been created |
在 TypeScript 中使用模式
复杂度: ★★☆
流行度: ★★★
使用示例: 抽象工厂模式在 TypeScript 代码中很常见。 许多框架和程序库会将它作为扩展和自定义其标准组件的一种方式。
识别方法: 我们可以通过方法来识别该模式——其会返回一个工厂对象。 接下来, 工厂将被用于创建特定的子组件。
概念示例
本例说明了抽象工厂设计模式的结构并重点回答了下面的问题:
- 它由哪些类组成?
- 这些类扮演了哪些角色?
- 模式中的各元素会以何种方式相互关联?
index.ts: 概念示例
1 | /** |
Output.txt: 执行结果
1 | Client: Testing client code with the first factory type... |
概念示例
让我们假设一下, 如果你想要购买一组运动装备, 比如一双鞋与一件衬衫这样由两种不同产品组合而成的套装。 相信你会想去购买同一品牌的商品, 这样商品之间能够互相搭配起来。
如果我们把这样的行为转换成代码的话, 帮助我们创建此类产品组的工具就是抽象工厂, 便于产品之间能够相互匹配。
iSportsFactory.go: 抽象工厂接口
1 | package main |
adidas.go: 具体工厂
1 | package main |
nike.go: 具体工厂
1 | package main |
iShoe.go: 抽象产品
1 | package main |
adidasShoe.go: 具体产品
1 | package main |
nikeShoe.go: 具体产品
1 | package main |
iShirt.go: 抽象产品
1 | package main |
adidasShirt.go: 具体产品
1 | package main |
nikeShirt.go: 具体产品
1 | package main |
main.go: 客户端代码
1 | package main |
output.txt: 执行结果
1 | Logo: nike |