Java設計模式（一） 簡單工廠模式不簡單

来源:http://www.cnblogs.com/jasongj/archive/2016/05/17/5500180.html
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摘要：本文介紹了簡單工廠模式的概念，優缺點，實現方式，以及結合Annotation和反射的改良方案（讓簡單工廠模式不簡單）。同時介紹了簡單工廠模式（未）遵循的OOP原則。最後給出了簡單工廠模式在JDBC中的應用 原創文章。同步自作者個人博客 "http://www.jasongj.com/desig ...


摘要：本文介紹了簡單工廠模式的概念，優缺點，實現方式，以及結合Annotation和反射的改良方案（讓簡單工廠模式不簡單）。同時介紹了簡單工廠模式（未）遵循的OOP原則。最後給出了簡單工廠模式在JDBC中的應用



原創文章。同步自作者個人博客http://www.jasongj.com/design_pattern/simple_factory

簡單工廠模式使用案例

有一種抽象產品——汽車（Car），同時有多種具體的子類產品，如BenzCar，BMWCar，LandRoverCar。類圖如下

作為司機，如果要開其中一種車，比如BenzCar，最直接的做法是直接創建BenzCar的實例，並執行其drive方法，如下

package com.jasongj.client;

import com.jasongj.product.BenzCar;

public class Driver1 {

  public static void main(String[] args) {
    BenzCar car = new BenzCar();
    car.drive();
  }

}

此時如果要改為開Land Rover，則需要修改代碼，創建Land Rover的實例並執行其drive方法。這也就意味著任何時候需要換一輛車開的時候，都必須修改客戶端代碼。

一種稍微好點的方法是，通過讀取配置文件，獲取需要開的車，然後創建相應的實例並由父類Car的引用指向它，利用多態執行不同車的drive方法。如下

package com.jasongj.client;

import org.apache.commons.configuration.ConfigurationException;
import org.apache.commons.configuration.XMLConfiguration;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import com.jasongj.product.BMWCar;
import com.jasongj.product.BenzCar;
import com.jasongj.product.Car;
import com.jasongj.product.LandRoverCar;

public class Driver2 {
  
  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(Driver2.class);

  public static void main(String[] args) throws ConfigurationException {
    XMLConfiguration config = new XMLConfiguration("car.xml");
    String name = config.getString("driver2.name");
    Car car;

    switch (name) {
    case "Land Rover":
      car = new LandRoverCar();
      break;
    case "BMW":
      car = new BMWCar();
      break;
    case "Benz":
      car = new BenzCar();
      break;
    default:
      car = null;
      break;
    }
    LOG.info("Created car name is {}", name);
    car.drive();
  }

}

對於Car的使用方而言，只需要通過參數即可指定所需要Car的各類並得到其實例，同時無論使用哪種Car，都不需要修改後續對Car的操作。至此，簡單工廠模式的原型已經形成。如果把上述的邏輯判斷封裝到一個專門的類的靜態方法中，則實現了簡單工廠模式。工廠代碼如下

package com.jasongj.factory;

import org.apache.commons.configuration.ConfigurationException;
import org.apache.commons.configuration.XMLConfiguration;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import com.jasongj.product.BMWCar;
import com.jasongj.product.BenzCar;
import com.jasongj.product.Car;
import com.jasongj.product.LandRoverCar;

public class CarFactory1 {
  
  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(CarFactory1.class);

  public static Car newCar() {
    Car car = null;
    String name = null;
    try {
      XMLConfiguration config = new XMLConfiguration("car.xml");
      name = config.getString("factory1.name");
    } catch (ConfigurationException ex) {
      LOG.error("parse xml configuration file failed", ex);
    }

    switch (name) {
    case "Land Rover":
      car = new LandRoverCar();
      break;
    case "BMW":
      car = new BMWCar();
      break;
    case "Benz":
      car = new BenzCar();
      break;
    default:
      car = null;
      break;
    }
    LOG.info("Created car name is {}", name);
    return car;
  }

}

調用方代碼如下

package com.jasongj.client;

import com.jasongj.factory.CarFactory1;
import com.jasongj.product.Car;

public class Driver3 {

  public static void main(String[] args) {
    Car car = CarFactory1.newCar();
    car.drive();
  }

}

與Driver2相比，所有的判斷邏輯都封裝在工廠(CarFactory1)當中，Driver3不再需要關心Car的實例化，實現了對象的創建和使用的隔離。

當然，簡單工廠模式並不要求一定要讀配置文件來決定實例化哪個類，可以把參數作為工廠靜態方法的參數傳入。

簡單工廠模式進階

使用反射實現擴展性

從Driver2和CarFactory1的實現中可以看到，當有新的車加入時，需要更新Driver2和CarFactory1的代碼也實現對新車的支持。這就違反了開閉原則（Open-Close Principle）。可以利用反射（Reflection）解決該問題。

package com.jasongj.factory;

import org.apache.commons.configuration.ConfigurationException;
import org.apache.commons.configuration.XMLConfiguration;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import com.jasongj.product.Car;

public class CarFactory2 {
  
  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(CarFactory2.class);

  public static Car newCar() {
    Car car = null;
    String name = null;
    try {
      XMLConfiguration config = new XMLConfiguration("car.xml");
      name = config.getString("factory2.class");
    } catch (ConfigurationException ex) {
      LOG.error("Parsing xml configuration file failed", ex);
    }
    
    try {
      car = (Car)Class.forName(name).newInstance();
      LOG.info("Created car class name is {}", name);
    } catch (InstantiationException | IllegalAccessException | ClassNotFoundException e) {
      LOG.error("Instantiate car {} failed", name);
    }
    return car;
  }

}

從上面代碼中可以看到，之後如果需要引入新的Car，只需要在配置文件中指定該Car的完整類名（包括package名），CarFactory2即可通過反射將其實例化。實現了對擴展的開放，同時保證了對修改的關閉。熟悉Spring的讀者應該會想到Spring IoC的實現。

註解讓簡單工廠模式不簡單

上例中使用反射做到了對擴展開放，對修改關閉。但有些時候，使用類的全名不太方便，使用別名會更合適。例如Spring中每個Bean都會有個ID，引用Bean時也會通過ID去引用。像Apache Nifi這樣的數據流工具，在流程上使用了職責鏈模式，而對於單個Processor的創建則使用了工廠，對於用戶自定義的Processor並不需要通過代碼去註冊，而是使用註解（為了更方便理解下麵這段代碼，請先閱讀筆者另外一篇文章《Java系列（一）Annotation（註解）》）。

下麵就繼續在上文案例的基礎上使用註解升級簡單工廠模式。

package com.jasongj.factory;

import java.util.Collections;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

import org.apache.commons.configuration.ConfigurationException;
import org.apache.commons.configuration.XMLConfiguration;
import org.reflections.Reflections;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import com.jasongj.annotation.Vehicle;
import com.jasongj.product.Car;

public class CarFactory3 {

  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(CarFactory3.class);

  private static Map<String, Class> allCars;

  static {
    Reflections reflections = new Reflections("com.jasongj.product");
    Set<Class<?>> annotatedClasses = reflections.getTypesAnnotatedWith(Vehicle.class);
    allCars = new ConcurrentHashMap<String, Class>();
    for (Class<?> classObject : annotatedClasses) {
      Vehicle vehicle = (Vehicle) classObject.getAnnotation(Vehicle.class);
      allCars.put(vehicle.type(), classObject);
    }
    allCars = Collections.unmodifiableMap(allCars);
  }

  public static Car newCar() {
    Car car = null;
    String type = null;
    try {
      XMLConfiguration config = new XMLConfiguration("car.xml");
      type = config.getString("factory3.type");
      LOG.info("car type is {}", type);
    } catch (ConfigurationException ex) {
      LOG.error("Parsing xml configuration file failed", ex);
    }

    if (allCars.containsKey(type)) {
      LOG.info("created car type is {}", type);
      try {
        car = (Car) allCars.get(type).newInstance();
      } catch (InstantiationException | IllegalAccessException ex) {
        LOG.error("Instantiate car failed", ex);
      }
    } else {
      LOG.error("specified car type {} does not exist", type);
    }
    return car;
  }

}

從上面代碼中可以看到，該工廠會掃描所有被Vehicle註解的Car（每種Car都在註解中聲明瞭自己的type，可作為該種Car的別名）然後建立起Car別名與具體Car的Class原映射。此時工廠的靜態方法即可根據目標別名實例化對應的Car。

本文所有代碼都可從作者GitHub下載.

簡單工廠模式詳解

簡單工廠模式定義

簡單工廠模式（Simple Factory Pattern）又叫靜態工廠方法模式（Static FactoryMethod Pattern）。專門定義一個類（如上文中的CarFactory1、CarFactory2、CarFactory3）來負責創建其它類的實例，由它來決定實例化哪個具體類，從而避免了在客戶端代碼中顯式指定，實現瞭解耦。該類由於可以創建同一抽象類（或介面）下的不同子類對象，就像一個工廠一樣，因此被稱為工廠類。

簡單工廠模式類圖

簡單工廠模式類圖如下所示

簡單工廠模式角色劃分

  • 工廠角色（如上文中的CarFactory1/2/3）：這是簡單工廠模式的核心，由它負責創建所有的類的內部邏輯。當然工廠類必須能夠被外界調用，創建所需要的產品對象。一般而言，工廠類提供一個靜態方法，外部程式通過該方法創建所需對象。
  • 抽象產品角色(如上文中的Car)：簡單工廠模式所創建的所有對象的父類。註意，這裡的父類可以是介面也可以是抽象類，它負責描述所創建實例共有的公共介面。
  • 具體產品角色（如上文中的BMWCar，BenzCar，LandRoverCar）：簡單工廠所創建的具體實例對象，這些具體的產品往往都擁有共同的父類。

簡單工廠模式優點

  • 工廠類是整個簡單工廠模式的關鍵所在。它包含必要的判斷邏輯，能夠根據外界給定的信息（配置，或者參數），決定究竟應該創建哪個具體類的對象。用戶在使用時可以直接根據工廠類去創建所需的實例，而無需瞭解這些對象是如何創建以及如何組織的。有利於整個軟體體繫結構的優化。
  • 通過引入配置文件和反射，可以在不修改任何客戶端代碼的情況下更換和增加新的具體產品類，在一定程度上提高了系統的靈活性（如CarFactory2）。
  • 客戶端無須知道所創建的具體產品類的類名，只需要知道具體產品類所對應的參數即可，對於一些複雜的類名，通過簡單工廠模式可以減少使用者的記憶量（如CarFactory3）。

簡單工廠模式缺點

  • 由於工廠類集中了所有實例的創建邏輯，這就直接導致一旦這個工廠出了問題，所有的客戶端都會受到牽連。
  • 由於簡單工廠模式的產品是基於一個共同的抽象類或者介面，這樣一來，產品的種類增加的時候，即有不同的產品介面或者抽象類的時候，工廠類就需要判斷何時創建何種介面的產品，這就和創建何種種類的產品相互混淆在了一起，違背了單一職責原則，導致系統喪失靈活性和可維護性。
  • 正如上文提到的，一般情況下（如CarFactory1），簡單工廠模式違背了“開放-關閉原則”，因為當我們新增加一個產品的時候必須修改工廠類，相應的工廠類就需要重新編譯一遍。但這一點可以利用反射（CarFactory3在本質上也是利用反射）在一定程度上解決（如CarFactory2）。
  • 使用反射可以使簡單工廠在一定條件下滿足“開放-關閉原則”，但這僅限於產品類的構造及初始化相同的場景。對於各產品實例化或者初始化不同的場景，很難利用反射滿足“開放-關閉”原則。
  • 簡單工廠模式由於使用了靜態工廠方法，造成工廠角色無法形成基於繼承的等級結構。這一點筆者持保留態度，因為繼承不是目的，如果沒有這樣的需求，這一點完全不算缺點，例如JDBC的DriverManager。

簡單工廠模式與OOP原則

已遵循的原則

  • 依賴倒置原則
  • 迪米特法則
  • 里氏替換原則
  • 介面隔離原則

未遵循的原則

  • 開閉原則（如上文所述，利用配置文件+反射或者註解可以避免這一點）
  • 單一職責原則（工廠類即要負責邏輯判斷又要負責實例創建）

簡單工廠模式在JDK中的典型應用

簡單工廠模式在JDK中最典型的應用要數JDBC了。可以把關係型資料庫認為是一種抽象產品，各廠商提供的具體關係型資料庫（MySQL，PostgreSQL，Oracle）則是具體產品。DriverManager是工廠類。應用程式通過JDBC介面使用關係型資料庫時，並不需要關心具體使用的是哪種資料庫，而直接使用DriverManager的靜態方法去得到該資料庫的Connection。

package com.jasongj.client;

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.PreparedStatement;
import java.sql.SQLException;

import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

public class JDBC {
  
  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(JDBC.class);

  public static void main(String[] args) {
    Connection conn = null;
    try {
      Class.forName("org.apache.hive.jdbc.HiveDriver");
      conn = DriverManager.getConnection("jdbc:hive2://127.0.0.1:10000/default");
      PreparedStatement ps = conn.prepareStatement("select count(*) from test.test");
      ps.execute();
    } catch (SQLException ex) {
      LOG.warn("Execute query failed", ex);
    } catch(ClassNotFoundException e) {
      LOG.warn("Load Hive driver failed", e);
    } finally {
      if(conn != null ){
        try {
          conn.close();
        } catch (SQLException e) {
          // NO-OPT
        }
      }
    }
  }
}

Java設計模式系列


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