设计模式：简单工厂、工厂方法与抽象工厂

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1为什么要使用工厂模式？
2简单工厂
3工厂方法
3抽象工厂
4后记
1 为什么要使用工厂模式？
解耦
工厂模式的核心目的是将对象的创建与使用分离，先说对象的创建，我们习惯于在构造函数中进行一系列对象的初始化甚至逻辑处理，虽然这在开发中很常见，但如果仔细推敲，会发现其实并不符合常理。如果把汽车的发动机当作一个对象，设计图纸当作构造函数的参数，我们传入参数，然后发动机自己把自己生产出来了。是的，发动机自己生产了自己，是不是感觉有些怪异？但这确实是软件中的大部分情形，其实现实生活中的场景更符合逻辑，把图纸送到发动机生产工厂，由工厂完成发动机的生产制造。在软件开发中，大多数简单对象，并不需要使用工厂，但当一个对象的构造过程相对复杂、易变时，就需要考虑使用工厂将对象的创建过程解耦了。
再说对象的使用，在简单的小型项目中，直接使用new来获取对象简便快捷，并没有问题。但当项目具有一定规模，需要统一考虑扩展性（使用一个对象替换另一个对象），需要统一管理多个对象的创建过程、生命周期、依赖关系时，工厂就大有用武之地了。
抽象
解释一下抽象的概念，在软件设计中，抽象是为解耦和扩展而生的。举个例子，我们打开电脑机箱找到主板上的南北桥芯片，可以看到它们是完全焊接在主板上的，这种不可替换的设计是高耦合不可扩展的。我们再找到内存条，发现它们可以拆卸并更换为其它品牌，这种可替换的设计即为可扩展。再稍深入思考一下，主板上的内存条为什么能安装不同的品牌？原因是有相关技术标准，比如长宽尺寸，针脚数量，通信标准等，不同的内存条厂商，只要遵循标准生产出来的内存条就能安装到同一块主板上。在软件开发中，让主板支持不同厂商内存条的能力称之为主板具备可扩展性，定义内存条接口标准称之为抽象，根据标准生产主板和内存条称之为面向抽象编程（面向接口编程）。
在软件设计中，只要是工厂模式，不论简单工厂、工厂方法、还是抽象工厂，生产构造出来的都是抽象对象，而非具体对象。这条规则非常重要，我们在小型项目中，效率优先，可以直接new出来具体的对象使用，但即然使用了工厂模式，说明项目具有了一定的复杂程度和规模，此时就应该统一考虑可扩展性了。
可测试性
做过单元测试的小伙伴应该深有体会，越是封闭的对象越难以测试。这很容易理解，要对一个对象进行测试，就需要从外部对它注入各种条件，然后观察它的反应，如果条件都注入不进去，何来的反应呢？构造函数对测试而言，天生就是一个无法测试的封闭黑盒，而工厂模式把这个黑盒从对象中解耦了出来，从而允许测试条件的注入。

2 简单工厂

在一个工厂中，通过向静态方法传递不同的参数，生产并返回不同的产品，即简单工厂，又形象的称之为静态工厂方法（Static Factory Method），示例代码如下：

1. // 抽象产品
2. public interface ICellphone
3. { }
5. // 具体产品
6. public class Xiaomi1Cellphone : ICellphone
7. { }
9. public class Xiaomi2Cellphone : ICellphone
10. { }
12. // 小米1和小米2是早期的小米手机型号
13. public enum CellphoneBrand
14. {
15.     Xiaomi1,
16.     Xiaomi2
17. }
19. // 简单工厂
20. public class CellphoneFactory
21. {
22.     // 通过不同的参数构造并返回不同的对象
23.     public static ICellphone Build(CellphoneBrand brand)
24.     {
25.         switch (brand)
26.         {
27.             case CellphoneBrand.Xiaomi1:
28.                 return new Xiaomi1Cellphone();
29.             case CellphoneBrand.Xiaomi2:
30.                 return new Xiaomi2Cellphone();
31.             // 缺点：当产品扩展时存在修改，不符合开闭原则
32.             // ...
33.             default:
34.                 return null;
35.         }
36.     }
37. }

复制代码

1994年，Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson、John Vlissides四位合著了《设计模式-可复用面向对象软软件的基础》，书中总结了23种常用的设计模式，后来成为了大名鼎鼎的GoF23（四人帮：Gang of Four）。
简单工厂虽然不在GoF23当中，但实际开发中也较为常见，它的优点是非常简单，缺点是当产品扩展时，需要修改工厂中的代码，不符合“开闭原则”。

3 工厂方法

在介绍工厂方法模式前，先简单介绍一下“开闭原则”，开闭原则在上世纪80年代就被总结了出来，其核心思想是对修改关闭，对扩展开放。对修改关闭指的是应避免修改已存在的代码，因为这部分代码是经过测试的稳定代码，任何修改都可能引入新的BUG；对扩展开放指的是应允许增加新功能，因为软件存在的价值就是不断满足用户新的需求。开闭原则看似简单，实则包含了众多软件设计思想与实现细节，整个“SOLID原则”几乎都是围绕它展开的，后续专门写一篇文章介绍开闭原则，此处就不作详述了。
工厂方法模式的核心思想是每增加一种产品，就对应的增加一个工厂，为了贯彻这个思路，方便的为新增产品匹配工厂，它对工厂也进行了抽象，示例代码如下：

1. // 抽象产品
2. public interface ICellphone
3. { }
5. // 具体产品
6. public class XiaomiCellphone : ICellphone
7. { }
9. public class RedmiCellphone : ICellphone
10. { }
12. // 抽象工厂
13. public interface ICellphoneFactory
14. {
15.     ICellphone Build();
16. }
18. // 具体工厂
19. public class XiaomiCellphoneFactory : ICellphoneFactory
20. {
21.     public ICellphone Build()
22.     {
23.         return new XiaomiCellphone();
24.     }
25. }
27. public class RedmiCellphoneFactory : ICellphoneFactory
28. {
29.     public ICellphone Build()
30.     {
31.         return new RedmiCellphone();
32.     }
33. }

复制代码

工厂方法符合开闭原则，但它也存在缺陷：一个工厂只能生产一种产品，工厂数量会随着产品数量的增加而不断增加。

4 抽象工厂

在具有一定规模的实际项目中，对象通常不会孤立的出现，而是以系列的方式出现，比如小米和红米，两个品牌下不会只有一款产品，而会有一系列产品：手机、电视、电脑、智能音箱、扫地机器人等等。抽象工厂模式专为生产一系列商品而设计，它解决了工厂方法中工厂数量随着产品数量不断增加的弊端，也更贴合实际的项目场景，示例代码如下：

1. // 抽象产品
2. public interface ICellphone
3. { }
5. public interface ITelevision
6. { }
8. // 具体产品
9. public class XiaomiCellphone : ICellphone
10. { }
12. public class RedmiCellphone : ICellphone
13. { }
15. public class XiaomiTelevision : ITelevision
16. { }
18. public class RedmiTelevision : ITelevision
19. { }
21. // 抽象工厂
22. public interface IFactory
23. {
24.     ICellphone BuildCellphone();
25.     ITelevision BuildTelevision();
26. }
28. // 具体工厂，生产一个系列的产品
29. public class XiaomiFactory : IFactory
30. {
31.     public ICellphone BuildCellphone()
32.     {
33.         return new XiaomiCellphone();
34.     }
35.     public ITelevision BuildTelevision()
36.     {
37.         return new XiaomiTelevision();
38.     }
39. }
41. public class RedmiFactory
42. {
43.     public ICellphone BuildCellphone()
44.     {
45.         return new RedmiCellphone();
46.     }
47.     public ITelevision BuildTelevision()
48.     {
49.         return new RedmiTelevision();
50.     }
51. }

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5 后记
很早之前就想将GoF23中的设计模式以这种图、文、代码的方式整理成文，一直拖延直到最近注册了心仪的域名，博客园的这个20年前的账号也重获新生，终于开始将软件开发这些年的一些经验整理成文。后续会陆续补充完整GoF23，敬请关注。

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