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工廠方法模式(英語:Factory method pattern)是一種實現了「工廠」概念的物件導向設計模式。就像其他建立型模式一樣,它也是處理在不指定對象具體類別的情況下建立對象的問題。工廠方法模式的實質是「定義一個建立對象的介面,但讓實現這個介面的類別來決定實例化哪個類別。工廠方法讓類別的實例化推遲到子類別中進行。」[1]
建立一個對象常常需要複雜的過程,所以不適合包含在一個複合對象中。建立對象可能會導致大量的重複代碼,可能會需要複合對象訪問不到的資訊,也可能提供不了足夠級別的抽象,還可能並不是複合對象概念的一部分。工廠方法模式通過定義一個單獨的建立對象的方法來解決這些問題。由子類別實現這個方法來建立具體類別的對象。
對象建立中的有些過程包括決定建立哪個對象、管理對象的生命周期,以及管理特定對象的建立和銷毀的概念。
在物件導向程式設計中,工廠通常是一個用來建立其他對象的對象。工廠是構造方法的抽象,用來實現不同的分配方案。
工廠對象通常包含一個或多個方法,用來建立這個工廠所能建立的各種類別的對象。這些方法可能接收參數,用來指定對象建立的方式,最後返回建立的對象。
有時,特定類別對象的控制過程比簡單地建立一個對象更複雜。在這種情況下,工廠對象就派上用場了。工廠對象可能會動態地建立產品類別的對象,或者從對象池中返回一個對象,或者對所建立的對象進行複雜的組態,或者應用其他的操作。
這些類別的對象很有用。幾個不同的設計模式都應用了工廠的概念,並可以使用在很多語言中。例如,在《設計模式》一書中,像工廠方法模式、抽象工廠模式、生成器模式,甚至是單例模式都應用了工廠的概念。
例如,有一個Button
類別表示按鈕,另有它的兩個子類別WinButton
和MacButton
分別代表Windows和Mac風格的按鈕,那麼這幾個類別和用於建立它們的工廠類別在Java中可以如下實現(在此省略所有類別和方法的可見性設置):
//幾個Button類
class Button{/* ...*/}
class WinButton extends Button{/* ...*/}
class MacButton extends Button{/* ...*/}
//他們的工廠類別
interface ButtonFactory {
abstract Button createButton();
}
class WinButtonFactory implements ButtonFactory {
Button createButton() {
return new WinButton();
}
}
class MacButtonFactory implements ButtonFactory {
Button createButton() {
return new MacButton();
}
}
雖然工廠方法模式的背後動機是允許子類別選擇建立對象的具體類別,但是使用工廠方法模式也有一些其他的好處,其中很多並不依賴於子類別。因此,有時候也會建立不使用多型性建立對象的工廠方法,以得到使用工廠方法的其他好處。
如果拋開設計模式的範疇,「工廠方法」這個詞也可以指作為「工廠」的方法,這個方法的主要目的就是建立對象,而這個方法不一定在單獨的工廠類別中。這些方法通常作為靜態方法,定義在方法所實例化的類別中。
每個工廠方法都有特定的名稱。在許多物件導向的程式語言中,構造方法必須和它所在的類別具有相同的名稱,這樣的話,如果有多種建立對象的方式(多載)就可能導致歧義。工廠方法沒有這種限制,所以可以具有描述性的名稱。舉例來說,根據兩個實數建立一個複數,而這兩個實數表示直角坐標或極坐標,如果使用工廠方法,方法的含義就非常清晰了。當工廠方法起到這種消除歧義的作用時,構造方法常常被設置為私有方法,從而強制客戶端代碼使用工廠方法建立對象。
下面的例子展示了在不同的程式語言中實現複數建立的代碼:
class Complex {
public static Complex fromCartesianFactory(double real, double imaginary) {
return new Complex(real, imaginary);
}
public static Complex fromPolarFactory(double modulus, double angle) {
return new Complex(modulus * cos(angle), modulus * sin(angle));
}
private Complex(double a, double b) {
//...
}
}
Complex product = Complex.fromPolarFactory(1, pi);
Public Class Complex
Public Shared Function fromCartesianFactory(real As Double, imaginary As Double) As Complex
Return (New Complex(real, imaginary))
End Function
Public Shared Function fromPolarFactory(modulus As Double, angle As Double) As Complex
Return (New Complex(modulus * Math.Cos(angle), modulus * Math.Sin(angle)))
End Function
Private Sub New(a As Double, b As Double)
'...
End Sub
End Class
Complex product = Complex.fromPolarFactory(1, pi);
public class Complex
{
public double Real;
public double Imaginary;
public static Complex FromCartesianFactory(double real, double imaginary)
{
return new Complex(real, imaginary);
}
public static Complex FromPolarFactory(double modulus, double angle)
{
return new Complex(modulus * Math.Cos(angle), modulus * Math.Sin(angle));
}
private Complex (double real, double imaginary)
{
Real = real;
Imaginary = imaginary;
}
}
var product = Complex.FromPolarFactory(1, pi);
普通的工廠方法模式通常伴隨着對象的具體類別與工廠具體類別的一一對應,客戶端代碼根據需要選擇合適的具體類別工廠使用。然而,這種選擇可能包含複雜的邏輯。這時,可以建立一個單一的工廠類別,用以包含這種選擇邏輯,根據參數的不同選擇實現不同的具體對象。這個工廠類別不需要由每個具體產品實現一個自己的具體的工廠類別,所以可以將工廠方法設置為靜態方法。
而且,工廠方法封裝了對象的建立過程。如果建立過程非常複雜(比如依賴於設定檔或用戶輸入),工廠方法就非常有用了。
比如,一個程式要讀取圖檔。程式支援多種圖像格式,每種格式都有一個對應的ImageReader
類別用來讀取圖像。程式每次讀取圖像時,需要基於檔案資訊建立合適類別的ImageReader
。這個選擇邏輯可以包裝在一個簡單工廠中:
public class ImageReaderFactory {
public static ImageReader imageReaderFactoryMethod(InputStream is) {
ImageReader product = null;
int imageType = determineImageType(is);
switch (imageType) {
case ImageReaderFactory.GIF:
product = new GifReader(is);
case ImageReaderFactory.JPEG:
product = new JpegReader(is);
//...
}
return product;
}
}
工廠方法,適用於面向介面編程(programming to interface)與實現依賴反轉原則。 下列情況可以考慮使用工廠方法模式:
工廠方法模式常見於工具包和框架中,在這些庫中可能需要建立客戶端代碼實現的具體類別的對象。
平行的類別階層中,常常需要一個階層中的對象能夠根據需要建立另一個階層中的對象。
工廠方法模式可以用於測試驅動開發,從而允許將類別放在測試中[2]。舉例來說,Foo
這個類別建立了一個Dangerous
對象,但是Dangerous
對象不能放在自動的單元測試中(可能它需要訪問產品資料庫,而這個資料庫不是隨時能夠訪問到的)。所以,就可以把Dangerous
對象的建立交由Foo
類別的一個方法(虛擬函式)createDangerous
完成。為了測試,再建立一個Foo
的一個子類別TestFoo
,重寫createDangerous
方法,在方法中建立並返回一個FakeDangerous
(Dangerous
的子類別),而這是一個模擬對象。這樣,單元測試就可以使用TestFoo
來測試Foo
的功能,從而避免了使用Dangerous
對象帶來的副作用。
使用工廠方法有三個局限,第一個與代碼重構有關,另外兩個與類別的擴充有關。
Complex
類別是一個標準的類別,客戶端使用構造方法將其實例化。可能會有很多這樣的客戶端代碼:Complex c = new Complex(-1, 0);
Complex
的實例化應該使用工廠方法實現,他會將Complex
的構造方法設為私有。而此時使用它的構造方法的客戶端代碼就都失效了。Complex
的例子中,如果Complex
有了一個子類別StrangeComplex
,那麼StrangeComplex
必須提供屬於它自己的所有工廠方法,否則StrangeComplex.fromPolar(1, pi);
Complex
(父類別)的實例,而不是所希望的子類別實例。但有些語言的反射特性可以避免這個問題。通過修改底層程式語言,使工廠方法稱為第一類別的類別成員,可以緩解這三個問題。[3]
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