设计模式之结构型设计模式（二）：工厂模式 抽象工厂模式 建造者模式

工厂模式 Factory

1、什么是工厂模式

工厂模式旨在提供一种统一的接口来创建对象，而将具体的对象实例化的过程延迟到子类或者具体实现中。有助于降低客户端代码与被创建对象之间的耦合度，提高代码的灵活性和可维护性。

定义了一个创建对象的接口，但不负责具体对象的实例化。而是将实例化的责任交给它的子类或者具体实现，这种模式包括抽象工厂、工厂方法和简单工厂等不同形式。

2、为什么使用工厂模式

  1. 降低耦合度：工厂模式将客户端代码与具体的类实现分离，降低它们之间的耦合度，客户端只需要知道工厂接口或者抽象类，而无需关心具体的实现细节。
  2. 可扩展性：当需要添加新的产品类时，只需要创建一个新的具体工厂类和产品类，而不需要修改已有的代码，有助于系统的可扩展性，符合开闭原则。
  3. 隐藏实现细节：工厂模式将对象的创建过程封装在工厂类中，客户端无需知道对象的具体创建细节，有助于隐藏实现细节，提高系统的安全性。

3、如何实现工厂模式

简单工厂模式

简单工厂模式是工厂模式的一种简化形式，包含了一个具体工厂类，负责创建产品的对象。

// 抽象产品类
interface Product {
    void display();
}

// 具体产品类A
class ConcreteProductA implements Product {
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("Product A");
    }
}

// 具体产品类B
class ConcreteProductB implements Product {
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("Product B");
    }
}

// 简单工厂类
class SimpleFactory {
    public static Product createProduct(String type) {
        switch (type) {
            case "A":
                return new ConcreteProductA();
            case "B":
                return new ConcreteProductB();
            default:
                throw new IllegalArgumentException("Invalid product type");
        }
    }
}

// 客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Product productA = SimpleFactory.createProduct("A");
        productA.display();  // Output: Product A

        Product productB = SimpleFactory.createProduct("B");
        productB.display();  // Output: Product B
    }
}
工厂方法模式

工厂方法模式定义了一个创建产品的接口，具体的产品创建由其子类负责实现。

// 抽象产品类
interface Product {
    void display();
}

// 具体产品类A
class ConcreteProductA implements Product {
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("Product A");
    }
}

// 具体产品类B
class ConcreteProductB implements Product {
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("Product B");
    }
}

// 抽象工厂接口
interface Factory {
    Product createProduct();
}

// 具体工厂类A
class ConcreteFactoryA implements Factory {
    @Override
    public Product createProduct() {
        return new ConcreteProductA();
    }
}

// 具体工厂类B
class ConcreteFactoryB implements Factory {
    @Override
    public Product createProduct() {
        return new ConcreteProductB();
    }
}

// 客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Factory factoryA = new ConcreteFactoryA();
        Product productA = factoryA.createProduct();
        productA.display();  // Output: Product A

        Factory factoryB = new ConcreteFactoryB();
        Product productB = factoryB.createProduct();
        productB.display();  // Output: Product B
    }
}

4、是否存在缺陷和不足

  1. 类爆炸：随着产品类的增加，工厂类的数量也会呈现指数级增长，导致类的爆炸，不利于系统的维护。
  2. 违背开闭原则：每次添加新产品都需要修改工厂类，违背了开闭原则，当有新产品加入时，必须修改所有工厂类。

5、如何缓解缺陷与不足

  1. 使用抽象工厂模式：抽象工厂模式将一组相关的产品封装在一起，形成一个产品族，每个具体工厂负责创建一族产品，缓解了类的爆炸问题，
  2. 依赖注入：将工厂的创建过程交给外部来管理，通过依赖注入的方式，避免了工厂类的频繁修改。
  3. 使用反射：可以使用反射机制，动态地创建产品对象，从而减少了工厂类的数量。

通过以上缓解措施，可以在一定程度上提高工厂模式的灵活性和可维护性，使其更好地适应变化。在实际应用中，根据具体场景选择合适的工厂的模式，并结合其他设计模式，以达到代码的清晰和可扩展。

抽象工厂模式 Abstract Factory

1、什么是抽象工厂模式

抽象工厂模式提供了一个接口，用于创建与产品家族相关的对象，无需制定具体类，有助于确保创建的对象能够相互配合使用，而无需指定具体的类。

抽象工厂模式提供了一种将一组相关的产品组合成一个家族的方式，而不必指定具体的类，通过引入抽象工厂接口和一组具体工厂类，为每个产品提供一个独立的工厂，从而使系统更具灵活性。

2、为什么用抽象工厂模式

  1. 产品家族一致性：抽象工厂模式确保创建的对象相互之间是兼容的，属于同一产品家族，有助于保持系统的一致性。
  2. 易于替换：由于客户端只依赖于抽象接口，而不直接依赖具体类，因此可以轻松替换整个产品家族的实现，而无需修改客户端代码。
  3. 隐藏实现细节：客户端无需知道具体产品的实现细节，只需要了解抽象工厂接口，从降低了系统的复杂度。

3、如何实现抽象工厂模式

示例：图形界面库的抽象工厂模式，包含图形界面库中的按钮和文本框。

// 抽象按钮接口
interface Button {
    void display();
}

// 具体按钮A
class ButtonA implements Button {
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("Button A");
    }
}

// 具体按钮B
class ButtonB implements Button {
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("Button B");
    }
}

// 抽象文本框接口
interface TextBox {
    void display();
}

// 具体文本框A
class TextBoxA implements TextBox {
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("TextBox A");
    }
}

// 具体文本框B
class TextBoxB implements TextBox {
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("TextBox B");
    }
}

// 抽象工厂接口
interface GUIFactory {
    Button createButton();
    TextBox createTextBox();
}

// 具体工厂A
class GUIFactoryA implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() {
        return new ButtonA();
    }

    @Override
    public TextBox createTextBox() {
        return new TextBoxA();
    }
}

// 具体工厂B
class GUIFactoryB implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() {
        return new ButtonB();
    }

    @Override
    public TextBox createTextBox() {
        return new TextBoxB();
    }
}

// 客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用工厂A创建按钮和文本框
        GUIFactory factoryA = new GUIFactoryA();
        Button buttonA = factoryA.createButton();
        TextBox textBoxA = factoryA.createTextBox();

        buttonA.display();  // Output: Button A
        textBoxA.display(); // Output: TextBox A

        // 使用工厂B创建按钮和文本框
        GUIFactory factoryB = new GUIFactoryB();
        Button buttonB = factoryB.createButton();
        TextBox textBoxB = factoryB.createTextBox();

        buttonB.display();  // Output: Button B
        textBoxB.display(); // Output: TextBox B
    }
}

4、是否存在缺陷和不足

  1. 不易扩展新的产品家族：当需要添加新的产品家族时，需要修改抽象工厂接口及其所有的实现类，违背了开闭原则，使得系统扩展性受限。
  2. 复杂性增加：随着产品家族的增加，抽象工厂模式的类和接口数量可能呈现指数级增长，导致系统复杂性增加。

5、如何缓解缺陷和不足

  1. 使用依赖注入：将工厂的创建过程交给外部来管理，通过依赖注入的方式，避免了工厂类的频繁修改。
  2. 使用反射：可以使用反射机制，动态地创建产品对象，从而减少了工厂类和产品类的数量。
  3. 使用配置文件：将产品家族的配置信息放置在配置文件中，通过读取配置文件的方式动态创建工厂和产品对象，提高了系统的灵活性。

建造者模式 Builder

1、什么是建造者模式

建造者模式旨在通过将复杂对象的构造过程分离成多个简单的步骤，使得同样的创建过程可以创建不同的表示，有助于客户端代码能够根据需求选择构建过程的不同组合，以创建不同属性的对象。

将一个复杂对象的构建与其表示分离，使得同样的创建过程可以创建不同的表示，主要包含以下角色：

  • 产品
  • 抽象建造者
  • 具体建造者
  • 指挥者

2、为什么用建造者模式

  1. 分布创建：建造者模式允许按照步骤构建一个复杂对象，使得客户端代码可以选择性地构建对象的不同部分，灵活性更高。
  2. 隔离复杂性：将构建过程在具体的建造者中，客户端无需关心构建的细节，从而降低了系统的复杂性。
  3. 可扩展性：可以通过增加新的具体的建造者类来扩展系统，而不影响已有的客户端代码。

3、如何实现建造者模式

设计实现一个电脑组装的建造者模式

// 产品类
class Computer {
    private String cpu;
    private String memory;
    private String storage;

    public Computer(String cpu, String memory, String storage) {
        this.cpu = cpu;
        this.memory = memory;
        this.storage = storage;
    }

    // Getters...
    
    public void display() {
        System.out.println("Computer Specs: CPU-" + cpu + ", Memory-" + memory + ", Storage-" + storage);
    }
}

// 抽象建造者
interface ComputerBuilder {
    void buildCPU(String cpu);
    void buildMemory(String memory);
    void buildStorage(String storage);
    Computer getResult();
}

// 具体建造者A
class ConcreteBuilderA implements ComputerBuilder {
    private Computer computer;

    public ConcreteBuilderA() {
        this.computer = new Computer("", "", "");
    }

    @Override
    public void buildCPU(String cpu) {
        computer = new Computer(cpu, computer.getMemory(), computer.getStorage());
    }

    @Override
    public void buildMemory(String memory) {
        computer = new Computer(computer.getCpu(), memory, computer.getStorage());
    }

    @Override
    public void buildStorage(String storage) {
        computer = new Computer(computer.getCpu(), computer.getMemory(), storage);
    }

    @Override
    public Computer getResult() {
        return computer;
    }
}

// 具体建造者B
class ConcreteBuilderB implements ComputerBuilder {
    private Computer computer;

    public ConcreteBuilderB() {
        this.computer = new Computer("", "", "");
    }

    @Override
    public void buildCPU(String cpu) {
        computer = new Computer(cpu, computer.getMemory(), computer.getStorage());
    }

    @Override
    public void buildMemory(String memory) {
        computer = new Computer(computer.getCpu(), memory, computer.getStorage());
    }

    @Override
    public void buildStorage(String storage) {
        computer = new Computer(computer.getCpu(), computer.getMemory(), storage);
    }

    @Override
    public Computer getResult() {
        return computer;
    }
}

// 指挥者
class Director {
    public void construct(ComputerBuilder builder) {
        builder.buildCPU("Intel i5");
        builder.buildMemory("8GB");
        builder.buildStorage("256GB SSD");
    }
}

// 客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用建造者A构建电脑
        ComputerBuilder builderA = new ConcreteBuilderA();
        Director director = new Director();
        director.construct(builderA);
        Computer computerA = builderA.getResult();
        computerA.display();

        // 使用建造者B构建电脑
        ComputerBuilder builderB = new ConcreteBuilderB();
        director.construct(builderB);
        Computer computerB = builderB.getResult();
        computerB.display();
    }
}

4、是否存在缺陷和不足

  1. 指挥者的变动：如果产品的构建步骤发生变化，指挥者类的代码也需要修改，违背了开闭原则。
  2. 不够灵活：当产品的构建步骤很多且相互关联时，建造者模式可能变得复杂且不够灵活。

5、如何缓解缺陷和不足

  1. 使用链式调用：在具体建造者中使用链式调用，使得客户端代码更加简洁，且不容易受到构建步骤变动的影响。
  2. 增加产品的变种：当产品的构建步骤较为复杂时，可以考虑增加产品的变种，以适应不同的构建需求。
  3. 使用反射和配置文件：可以通过反射机制和配置文件来动态配置产品的构建过程，提高系统的灵活性。

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