Java 中的工厂方法模式示例解析

简介

在 Java 编程中，设计模式是解决常见软件设计问题的通用解决方案。工厂方法模式（Factory Method Pattern）是一种创建型设计模式，它提供了一种创建对象的方式，将对象的创建和使用分离。通过使用工厂方法模式，可以提高代码的可维护性、可扩展性以及可测试性。本文将深入探讨工厂方法模式在 Java 中的概念、使用方法、常见实践以及最佳实践，并提供详细的代码示例。

基础概念

工厂方法模式定义了一个创建对象的接口，让子类决定实例化哪个类。工厂方法把对象的创建逻辑封装在一个工厂类中，而不是在客户端代码中直接实例化对象。这样做的好处是，如果需要创建新的对象类型，只需要在工厂类中添加新的创建逻辑，而不需要修改大量的客户端代码。

使用方法

简单工厂方法示例

假设我们有一个图形绘制系统，需要绘制不同类型的图形，如圆形和矩形。我们可以创建一个简单的工厂方法来创建这些图形对象。

首先，定义图形接口 Shape：

public interface Shape {
    void draw();
}

然后，实现具体的图形类 Circle 和 Rectangle：

public class Circle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Drawing a Circle");
    }
}

public class Rectangle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Drawing a Rectangle");
    }
}

接着，创建一个工厂类 ShapeFactory 来创建图形对象：

public class ShapeFactory {
    public Shape createShape(String shapeType) {
        if (shapeType == null) {
            return null;
        }
        if (shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")) {
            return new Circle();
        } else if (shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")) {
            return new Rectangle();
        }
        return null;
    }
}

最后，在客户端代码中使用工厂方法创建图形对象：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ShapeFactory factory = new ShapeFactory();
        Shape circle = factory.createShape("CIRCLE");
        Shape rectangle = factory.createShape("RECTANGLE");

        if (circle != null) {
            circle.draw();
        }
        if (rectangle != null) {
            rectangle.draw();
        }
    }
}

工厂方法模式结构

上述示例展示了简单工厂方法的使用，但严格意义上的工厂方法模式更加灵活和可扩展。它包含以下几个角色： - 产品（Product）：定义了产品的接口或抽象类，如上述示例中的 Shape 接口。 - 具体产品（Concrete Product）：实现了产品接口的具体类，如 Circle 和 Rectangle。 - 工厂（Creator）：定义了创建产品的抽象方法，如 createShape 方法在一个抽象类中声明。 - 具体工厂（Concrete Creator）：实现了工厂抽象方法，创建具体产品对象的类。

改进后的工厂方法模式示例如下：

定义抽象工厂类 ShapeCreator：

public abstract class ShapeCreator {
    public abstract Shape createShape();
}

具体工厂类 CircleCreator 和 RectangleCreator：

public class CircleCreator extends ShapeCreator {
    @Override
    public Shape createShape() {
        return new Circle();
    }
}

public class RectangleCreator extends ShapeCreator {
    @Override
    public Shape createShape() {
        return new Rectangle();
    }
}

客户端代码使用：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ShapeCreator circleCreator = new CircleCreator();
        Shape circle = circleCreator.createShape();
        circle.draw();

        ShapeCreator rectangleCreator = new RectangleCreator();
        Shape rectangle = rectangleCreator.createShape();
        rectangle.draw();
    }
}

常见实践

基于配置文件的对象创建

在实际项目中，我们可能希望根据配置文件来决定创建哪种类型的对象。例如，使用 properties 文件来配置要创建的图形类型。

首先，创建一个 config.properties 文件：

shape=RECTANGLE

然后，修改 ShapeFactory 类来读取配置文件：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.util.Properties;

public class ShapeFactory {
    public Shape createShape() {
        Properties properties = new Properties();
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("config.properties")) {
            properties.load(fis);
            String shapeType = properties.getProperty("shape");
            if (shapeType == null) {
                return null;
            }
            if (shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")) {
                return new Circle();
            } else if (shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")) {
                return new Rectangle();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
}

根据不同条件创建对象

在某些情况下，我们需要根据运行时的条件来创建不同类型的对象。例如，根据用户的权限创建不同级别的用户对象。

定义用户接口 User：

public interface User {
    void showPermissions();
}

具体用户类 AdminUser 和 RegularUser：

public class AdminUser implements User {
    @Override
    public void showPermissions() {
        System.out.println("Admin has all permissions");
    }
}

public class RegularUser implements User {
    @Override
    public void showPermissions() {
        System.out.println("Regular user has limited permissions");
    }
}

创建用户工厂类 UserFactory：

public class UserFactory {
    public User createUser(String role) {
        if (role == null) {
            return null;
        }
        if (role.equalsIgnoreCase("ADMIN")) {
            return new AdminUser();
        } else if (role.equalsIgnoreCase("REGULAR")) {
            return new RegularUser();
        }
        return null;
    }
}

最佳实践

单一职责原则遵循

工厂类应该只负责对象的创建，而不应该承担过多的业务逻辑。这样可以确保代码的单一职责原则，提高代码的可维护性。例如，ShapeFactory 类只专注于创建 Shape 对象，而不涉及图形绘制的具体逻辑。

与其他设计模式结合

工厂方法模式可以与其他设计模式结合使用，以实现更强大的功能。例如，与单例模式结合，可以确保创建的对象是单例的；与策略模式结合，可以根据不同的策略创建不同的对象。

小结

工厂方法模式是 Java 编程中一种非常有用的创建型设计模式。通过将对象的创建和使用分离，它提高了代码的可维护性和可扩展性。本文介绍了工厂方法模式的基础概念、使用方法、常见实践以及最佳实践，并提供了详细的代码示例。希望读者通过阅读本文，能够深入理解并在实际项目中高效使用工厂方法模式。

参考资料

《Effective Java》 by Joshua Bloch
《Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software》 by Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson, and John Vlissides
Oracle Java Documentation