23种设计模式（3）：抽象工厂模式

1 女娲的失误

 上一篇讲了女娲造人的故事。人是造出来了，世界也热闹了，可是低头一看，都是清一色的类型，缺少关爱、仇恨、喜怒哀乐等情绪，人类的生命太平淡了，女娲一想，猛然一拍

脑袋，忘记给人类定义性别了，那怎么办？抹掉重来，于是人类经过一次大洗礼，所有的人种都消灭掉了，世界又是空无一物，寂静而又寂寞。
由于女娲之前的准备工作花费了非常大的精力，比如准备黄土、八卦炉等，从头开始建立所有的事物也是不可能的，那就想在现有的条件下重新造人，尽可能旧物利用嘛。人种
（Product产品类）应该怎么改造呢？怎么才能让人类有爱有恨呢？是神仙当然有办法了，定义互斥的性别，然后在每个个体中埋下一颗种子：异性相吸，成熟后就一定会去找个异性
（这就是我们说的爱情原动力）。从设计角度来看，一个具体的对象通过两个坐标就可以确定：肤色和性别，如图所示。

 

产品类分析完毕了，生产的工厂类（八卦炉）该怎么改造呢？只有一个生产设备，要么生产出来的全都是男性，要么都是女性。那不行呀，这么翻天覆地的改造就是为了产生不同
性别的人类。有办法了！把目前已经有的生产设备——八卦炉拆开，于是女娲就使用了“八卦复制术”，把原先的八卦炉一个变两个，并且略加修改，就成了女性八卦炉（只生产女性
人种）和男性八卦炉（只生产男性人种），于是乎女娲就开始准备生产了，其类图如图所示。
这个类图虽然大，但是比较简单。Java的典型类图，一个接口，多个抽象类，然后是N个实现类，每个人种都是一个抽象类，性别是在各个实现类中实现的。特别需要说明的是
HumanFactory接口，在这个接口中定义了三个方法，分别用来生产三个不同肤色的人种，也就是我们在图9-1中的Y坐标，它的两个实现类分别是性别，也就是图9-1中的X坐标，通过X
坐标（性别）和Y坐标（肤色）唯一确定了一个生产出来的对象。我们来看看相关的实现，Human接口如代码清单如下所示。

  vs

 

 1 public interface Human {
 2     
 3     //每个人种都有相应的颜色
 4     public void getColor();
 5     
 6     //人类会说话
 7     public void talk();  
 8     
 9     //每个人都有性别
10     public void getSex();
11 
12 }

 

 

 人种有三个抽象类，负责人种的抽象属性定义：肤色和语言。白色人种、黑色人种、黄色人种分别如下所示:

 

 1 public abstract class AbstractBlackHuman implements Human {
 2 
 3     public void getColor(){
 4         System.out.println("黑色人种的皮肤颜色是黑色的！");
 5     }
 6 
 7     public void talk() {
 8         System.out.println("黑人会说话，一般人听不懂。");
 9 
10     }
11 
12 }

 

 

&

 

public abstract class AbstractYellowHuman implements Human {
    public void getColor(){
        System.out.println("黄色人种的皮肤颜色是黄色的！");
    }

    public void talk() {
        System.out.println("黄色人种会说话，一般说的都是双字节。");
    }
}

 

 

&

 

public abstract class AbstractWhiteHuman implements Human {

    //白色人种的颜色是白色的
    public void getColor(){
        System.out.println("白色人种的皮肤颜色是白色的！");
    }
    
    //白色人种讲话
    public void talk() {
        System.out.println("白色人种会说话，一般都是但是单字节。");

    }

}

 

 

 每个抽象类都有两个实现类，分别实现公共的最细节、最具体的事物：肤色和语言。具体的实现类实现肤色、性别定义，以黄色女性人种为例，如代码清单如下所示。

 

public class FemaleYellowHuman extends AbstractYellowHuman {

    //黄人女性
    public void getSex() {
        System.out.println("黄人女性");
    }

}

 

 

 &

 黄色男性人种如代码

 

public class MaleYellowHuman extends AbstractYellowHuman {

    //黄人男性
    public void getSex() {
        System.out.println("黄人男性");
    }

}

 

 

 其他的黑色人种、白色人种的男性和女性的代码与此类似，不再重复编写。到此为止，

我们已经把真实世界的人种都定义出来了，剩下的工作就是怎么制造人类。接口HumanFactory如代码如下所示。

 

 1 public interface HumanFactory {
 2     
 3     //制造一个黄色人种
 4     public Human createYellowHuman(); 
 5     
 6     //制造一个白色人种
 7     public Human createWhiteHuman();
 8     
 9     //制造一个黑色人种
10     public Human createBlackHuman();
11 }

 

 

 在接口中，我们看到八卦炉是可以生产出不同肤色人种的（当然了，女娲的失误嘛），那它有多少个八卦炉呢？两个，分别生产女性和男性，女性和男性八卦炉分别如代码清单如下:

生产女性的八卦炉

 

 1 public class FemaleFactory implements HumanFactory {
 2     //生产出黑人女性
 3     public Human createBlackHuman() {
 4         return new FemaleBlackHuman();
 5     }
 6 
 7     //生产出白人女性
 8     public Human createWhiteHuman() {    
 9         return new FemaleWhiteHuman();
10     }
11 
12     //生产出黄人女性
13     public Human createYellowHuman() {
14         return new FemaleYellowHuman();
15     }
16 
17 }

 

 

 

生产男性的八卦炉 

 

 1 public class MaleFactory implements HumanFactory {
 2     //生产出黑人男性
 3     public Human createBlackHuman() {
 4         return new MaleBlackHuman();
 5     }
 6 
 7     //生产出白人男性
 8     public Human createWhiteHuman() {    
 9         return new MaleWhiteHuman();
10     }
11 
12     //生产出黄人男性
13     public Human createYellowHuman() {
14         return new MaleYellowHuman();
15     }
16 
17 }

 

 

 

人种有了，八卦炉也有了，我们就来重现一下当年女娲造人的光景，如代码清单如下所示。

女娲重造人类

 

 1 public class NvWa {
 2     
 3     public static void main(String[] args) {
 4         
 5         //第一条生产线，男性生产线
 6         HumanFactory maleHumanFactory = new MaleFactory();
 7         
 8         //第二条生产线，女性生产线
 9         HumanFactory femaleHumanFactory = new FemaleFactory();
10         
11         //生产线建立完毕，开始生产人了:
12         Human maleYellowHuman = maleHumanFactory.createYellowHuman();
13         
14         Human femaleYellowHuman = femaleHumanFactory.createYellowHuman();
15         
16         
17         System.out.println("---生产一个黄色女性---");
18         femaleYellowHuman.getColor();
19         femaleYellowHuman.talk();
20         femaleYellowHuman.getSex();
21         
22         System.out.println("\n---生产一个黄色男性---");
23         maleYellowHuman.getColor();
24         maleYellowHuman.talk();
25         maleYellowHuman.getSex();
26         
27 
28         
29         /*
30          * .....
31          * 后面你可以续了
32          */
33     }
34 }

 

 

 运行结果如下所示：

 

---生产一个黄色女性---
黄色人种的皮肤颜色是黄色的！
黄色人种会说话，一般说的都是双字节。
黄人女性
---生产一个黄色男性---
黄色人种的皮肤颜色是黄色的！
黄色人种会说话，一般说的都是双字节。
黄人男性

 

 

各种肤色的男性、女性都制造出来了，两性之间产生了相互吸引力，于是情感产生，这个世界就多了一种小说的题材“爱情”。回头来想想我们的设计，不知道大家有没有去过工

厂，每个工厂分很多车间，每个车间又分多条生产线，分别生产不同的产品，我们可以把八卦炉比喻为车间，把八卦炉生产的工艺（生产白人、黑人还是黄人）称为生产线，如此来看
就是一个女性生产车间，专门生产各种肤色的女性，一个是男性生产车间，专门生产各种肤色男性，生产完毕就可以在系统外组装，什么是组装？嘿嘿，自己思考！在这样的设计下，
各个车间和各条生产线的职责非常明确，在车间内各个生产出来的产品可以有耦合关系，你要知道世界上黑、黄、白人种的比例是：1∶4∶6，那这就需要女娲娘娘在烧制的时候就要
做好比例分配，在一个车间内协调好。这就是抽象工厂模式。

2 抽象工厂模式的定义

抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）是一种比较常用的模式，其定义如下：

Provide an interface for creating families of related or dependent objects without specifyingtheir concrete classes.

（为创建一组相关或相互依赖的对象提供一个接口，而且无须指定它们的具体类。）
抽象工厂模式的通用类图如下所示:

抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本，在有多个业务品种、业务分类时，通过抽象工厂模式产生需要的对象是一种非常好的解决方式。我们来看看抽象工厂的通用源代码，首
先有两个互相影响的产品线（也叫做产品族），例如制造汽车的左侧门和右侧门，这两个应该是数量相等的——两个对象之间的约束，每个型号的车门都是不一样的，这是产品等级结
构约束的，我们先看看两个产品族的类图，如下所示。

 

注意类图上的圈圈、框框相对应，两个抽象的产品类可以有关系，例如共同继承或实现一个抽象类或接口，其源代码如代码清单如下所示。

抽象产品类

 

public abstract class AbstractProductA {
    
    //每个产品共有的方法
    public void shareMethod(){
        
    }
    
    //每个产品相同方法，不同实现
    public abstract void doSomething();
}

 

 

两个具体的产品实现类如代码清单如下所示:

产品A1的实现类

 

public class ProductA1 extends AbstractProductA {

    @Override
    public void doSomething() {
        System.out.println("产品A1的实现方法");
    }

}

 

 

 产品A2的实现类

 

public class ProductA2 extends AbstractProductA {

    @Override
    public void doSomething() {
        System.out.println("产品A2的实现方法");
    }

}

 

 

 产品B与此类似，不再赘述。抽象工厂类AbstractCreator的职责是定义每个工厂要实现的功能，在通用代码中，抽象工厂类定义了两个产品族的产品创建，如代码清单如下所示:

抽象工厂类

 

public abstract class AbstractCreator {

    //创建A产品家族
    public abstract AbstractProductA createProductA();
    
    //创建B产品家族
    public abstract AbstractProductB createProductB();
}

 

 

 注意　有N个产品族，在抽象工厂类中就应该有N个创建方法

 如何创建一个产品，则是由具体的实现类来完成的，Creator1和Creator2如代码如下所示:

 

 1 public class Creator1 extends AbstractCreator {
 2     
 3     //只生产产品等级为1的A产品
 4     public AbstractProductA createProductA() {    
 5         return new ProductA1();
 6     }
 7 
 8     //只生产铲平等级为1的B产品
 9     public AbstractProductB createProductB() {
10         return new ProductB1();
11     }
12 
13 }

 

 

&

 

 1 public class Creator2 extends AbstractCreator {
 2     
 3     //只生产产品等级为2的A产品
 4     public AbstractProductA createProductA() {    
 5         return new ProductA2();
 6     }
 7 
 8     //只生产铲平等级为2的B产品
 9     public AbstractProductB createProductB() {
10         return new ProductB2();
11     }
12 
13 }

 

注意　有M个产品等级就应该有M个实现工厂类，在每个实现工厂中，实现不同产品族的生产任务。

在具体的业务中如何产生一个与实现无关的对象呢？如代码清单如下所示:

 

 1 public class Client {
 2 
 3     public static void main(String[] args) {
 4         //定义出两个工厂
 5         AbstractCreator creator1 = new Creator1();
 6         AbstractCreator creator2 = new Creator2();
 7         
 8         //产生A1对象
 9         AbstractProductA a1 =  creator1.createProductA();
10         //产生A2对象
11         AbstractProductA a2 = creator2.createProductA();
12         //产生B1对象
13         AbstractProductB b1 = creator1.createProductB();
14         //产生B2对象
15         AbstractProductB b2 = creator2.createProductB();
16         
17         /*
18          * 然后在这里就可以为所欲为了...
19          */
20         
21     }
22 }

 

 

在场景类中，没有任何一个方法与实现类有关系，对于一个产品来说，我们只要知道它的工厂方法就可以直接产生一个产品对象，无须关心它的实现类。

 3 抽象工厂模式的应用

 3.1 抽象工厂模式的优点

● 封装性，每个产品的实现类不是高层模块要关心的，它要关心的是什么？是接口，是抽象，它不关心对象是如何创建出来，这由谁负责呢？工厂类，只要知道工厂类是谁，我就能创建出一个需要的对象，省时省力，优秀设计就应该如此。

● 产品族内的约束为非公开状态。例如生产男女比例的问题上，猜想女娲娘娘肯定有自己的打算，不能让女盛男衰，否则女性的优点不就体现不出来了吗？那在抽象工厂模式，就
应该有这样的一个约束：每生产1个女性，就同时生产出1.2个男性，这样的生产过程对调用工厂类的高层模块来说是透明的，它不需要知道这个约束，我就是要一个黄色女性产品就可以了，具体的产品族内的约束是在工厂内实现的。

 3.2 抽象工厂模式的缺点

抽象工厂模式的最大缺点就是产品族扩展非常困难，为什么这么说呢？我们以通用代码为例，如果要增加一个产品C，也就是说产品家族由原来的2个增加到3个，看看我们的程序
有多大改动吧！抽象类AbstractCreator要增加一个方法createProductC()，然后两个实现类都要修改，想想看，这严重违反了开闭原则，而且我们一直说明抽象类和接口是一个契约。改变
契约，所有与契约有关系的代码都要修改，那么这段代码叫什么？叫“有毒代码”，——只要与这段代码有关系，就可能产生侵害的危险！
3.3 抽象工厂模式的使用场景
抽象工厂模式的使用场景定义非常简单：一个对象族（或是一组没有任何关系的对象）都有相同的约束，则可以使用抽象工厂模式。

什么意思呢？例如一个文本编辑器和一个图片处理器，都是软件实体，但是*nix下的文本编辑器和Windows下的文本编辑器虽然功能和界
面都相同，但是代码实现是不同的，图片处理器也有类似情况。也就是具有了共同的约束条件：操作系统类型。于是我们可以使用抽象工厂模式，产生不同操作系统下的编辑器和图片处理器。
3.4 抽象工厂模式的注意事项
在抽象工厂模式的缺点中，我们提到抽象工厂模式的产品族扩展比较困难，但是一定要清楚，是产品族扩展困难，而不是产品等级。在该模式下，产品等级是非常容易扩展的，增
加一个产品等级，只要增加一个工厂类负责新增加出来的产品生产任务即可。也就是说横向扩展容易，纵向扩展困难。以人类为例子，产品等级中只有男、女两个性别，现实世界还有
一种性别：双性人，既是男人也是女人（俗语就是阴阳人），那我们要扩展这个产品等级也是非常容易的，增加三个产品类，分别对应不同的肤色，然后再创建一个工厂类，专门负责
不同肤色人的双性人的创建任务，完全通过扩展来实现需求的变更，从这一点上看，抽象工厂模式是符合开闭原则的。

 4 最佳实践

一个模式在什么情况下才能够使用，是很多读者比较困惑的地方。抽象工厂模式是一个简单的模式，使用的场景非常多，大家在软件产品开发过程中，涉及不同操作系统的时候，
都可以考虑使用抽象工厂模式，例如一个应用，需要在三个不同平台（Windows、Linux、Android（Google发布的智能终端操作系统））上运行，你会怎么设计？分别设计三套不同
的应用？非也，通过抽象工厂模式屏蔽掉操作系统对应用的影响。三个不同操作系统上的软件功能、应用逻辑、UI都应该是非常类似的，唯一不同的是调用不同的工厂方法，由不同的
产品类去处理与操作系统交互的信息。