Java抽象工厂模式

Java抽象工厂模式

抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）是Java设计模式中一种创建型模式，它提供了一种方式来创建一系列相关或相互依赖的对象，而无需指定它们的具体类。该模式适用于需要创建多个产品族（即一组相关产品）的场景，同时确保客户端代码与具体实现解耦。

介绍

抽象工厂模式扩展了工厂方法模式，但它不是创建单一产品，而是创建多个产品族。例如，一个GUI库可能需要创建跨平台的按钮、文本框和对话框，而抽象工厂可以确保同一风格（如Windows或Mac风格）的所有组件被一起创建。

核心概念

• 抽象工厂（Abstract Factory）：声明创建产品对象的接口。
• 具体工厂（Concrete Factory）：实现抽象工厂接口，创建具体产品。
• 抽象产品（Abstract Product）：声明产品的接口。
• 具体产品（Concrete Product）：实现抽象产品接口的具体类。

结构

classDiagram class AbstractFactory { +createProductA(): AbstractProductA +createProductB(): AbstractProductB } class ConcreteFactory1 { +createProductA(): AbstractProductA +createProductB(): AbstractProductB } class ConcreteFactory2 { +createProductA(): AbstractProductA +createProductB(): AbstractProductB } class AbstractProductA { +operationA(): void } class AbstractProductB { +operationB(): void } class ProductA1 { +operationA(): void } class ProductB1 { +operationB(): void } class ProductA2 { +operationA(): void } class ProductB2 { +operationB(): void } AbstractFactory <|-- ConcreteFactory1 AbstractFactory <|-- ConcreteFactory2 AbstractProductA <|-- ProductA1 AbstractProductA <|-- ProductA2 AbstractProductB <|-- ProductB1 AbstractProductB <|-- ProductB2 ConcreteFactory1 --> ProductA1 ConcreteFactory1 --> ProductB1 ConcreteFactory2 --> ProductA2 ConcreteFactory2 --> ProductB2

代码示例

以下是一个跨平台UI组件（按钮和复选框）的抽象工厂实现：

抽象产品

// 抽象产品：按钮
interface Button {
    void render();
}

// 抽象产品：复选框
interface Checkbox {
    void render();
}

具体产品

// Windows风格按钮
class WindowsButton implements Button {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("渲染Windows风格按钮");
    }
}

// Mac风格按钮
class MacButton implements Button {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("渲染Mac风格按钮");
    }
}

// Windows风格复选框
class WindowsCheckbox implements Checkbox {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("渲染Windows风格复选框");
    }
}

// Mac风格复选框
class MacCheckbox implements Checkbox {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("渲染Mac风格复选框");
    }
}

抽象工厂

interface GUIFactory {
    Button createButton();
    Checkbox createCheckbox();
}

具体工厂

// Windows风格工厂
class WindowsFactory implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() {
        return new WindowsButton();
    }

    @Override
    public Checkbox createCheckbox() {
        return new WindowsCheckbox();
    }
}

// Mac风格工厂
class MacFactory implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() {
        return new MacButton();
    }

    @Override
    public Checkbox createCheckbox() {
        return new MacCheckbox();
    }
}

客户端代码

public class Application {
    private Button button;
    private Checkbox checkbox;

    public Application(GUIFactory factory) {
        button = factory.createButton();
        checkbox = factory.createCheckbox();
    }

    public void render() {
        button.render();
        checkbox.render();
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建Windows风格UI
        Application app1 = new Application(new WindowsFactory());
        app1.render();

        // 创建Mac风格UI
        Application app2 = new Application(new MacFactory());
        app2.render();
    }
}

输出

渲染Windows风格按钮
渲染Windows风格复选框
渲染Mac风格按钮
渲染Mac风格复选框

实际应用场景

抽象工厂模式在以下场景中特别有用：

• 需要创建一组相关或依赖的对象（如UI组件、数据库连接等）。
• 系统需要独立于其产品的创建、组合和表示方式。
• 需要提供多个产品族，但客户端只使用其中一族。

真实案例

1. 跨平台UI框架（如JavaFX、Swing）使用抽象工厂确保同一风格的组件被创建。 2. 数据库访问层可以针对不同数据库（MySQL、PostgreSQL）提供各自的工厂。 3. 游戏开发中为不同角色创建配套的武器、装备和技能。

优缺点

优点

• 确保产品兼容性（同一族产品一起工作）。
• 客户端代码与具体类解耦。
• 符合开闭原则（新增产品族无需修改现有代码）。

缺点

• 新增产品种类（如新增一个Slider组件）需要修改所有工厂接口。
• 代码复杂度较高，适合大型项目。

数学表示

抽象工厂可以形式化表示为： $\begin{array}{rl}& \text{Factory}=\{F_1,F_2,\dots ,F_n\}\\ & {\text{Product}}_k=\{P_{k1},P_{k2},\dots ,P_{km}\}\\ & F_i\to \{P_{1i},P_{2i},\dots ,P_{ki}\}\end{array}$ 其中：

• $F_i$是具体工厂
• $P_{ki}$是第$k$个产品族的第$i$个实现

总结

抽象工厂模式是构建复杂系统的强大工具，尤其适合需要管理多个相关产品族的场景。通过将创建逻辑封装在工厂中，系统可以更灵活地切换产品系列（如从Windows切换到Mac风格），同时保持客户端代码的简洁性。