零基础设计模式——创建型模式 - 抽象工厂模式

news2025/5/24 13:09:57

第二部分：创建型模式 - 抽象工厂模式 (Abstract Factory Pattern)

我们已经学习了单例模式（保证唯一实例）和工厂方法模式（延迟创建到子类）。现在，我们来探讨创建型模式中更为复杂和强大的一个——抽象工厂模式。它处理的是创建“产品族”的问题。

  • 核心思想：提供一个接口，用于创建一系列相关或相互依赖的对象，而无需指定它们具体的类。

抽象工厂模式 (Abstract Factory Pattern)

“提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。”

想象一下，你要装修房子，可以选择不同的装修风格，比如“现代风格”、“中式风格”或“欧式风格”。

  • 每种风格都包含一系列配套的家具：沙发、茶几、电视柜等。
  • “现代风格”的家具（现代沙发、现代茶几）是一套，它们之间风格统一。
  • “中式风格”的家具（红木沙发、雕花茶几）是另一套，它们也风格统一。

你不会用一个现代风格的沙发去搭配一个中式雕花的茶几，这样会显得不伦不类。抽象工厂模式就是用来确保你得到的是一整套风格协调的产品。

1. 目的 (Intent)

抽象工厂模式的主要目的：

  1. 创建产品族：核心在于创建一系列相关的或相互依赖的对象（称为一个“产品族”）。例如，一个UI工具包工厂可能创建按钮、文本框、滚动条等一系列UI组件，这些组件需要有统一的外观和行为（如Windows风格或macOS风格）。
  2. 客户端与具体类解耦：客户端代码只与抽象的工厂接口和抽象的产品接口打交道，而不需要知道具体是哪个工厂的实现，也不需要知道具体的产品类名。
  3. 保证产品兼容性：由同一个具体工厂创建出来的产品，一定是相互兼容、可以协同工作的。

2. 生活中的例子 (Real-world Analogy)

  • 电脑组装：

    • 抽象工厂 (AbstractFactory)：ComputerPartsFactory (定义了创建CPU、主板、内存等组件的接口)。
    • 具体工厂 (ConcreteFactory)：IntelCompatibleFactory (生产Intel CPU、兼容主板、特定内存条)，AMDCompatibleFactory (生产AMD CPU、兼容主板、另一特定内存条)。
    • 抽象产品 (AbstractProduct)：CPU, Motherboard, RAM (这些是组件的抽象接口)。
    • 具体产品 (ConcreteProduct)：IntelCPU, AMDRyzenCPU, AsusMotherboard, GigabyteMotherboard, KingstonRAM, CorsairRAM。
      当你选择 IntelCompatibleFactory 时，你会得到一套相互兼容的Intel平台组件。你不会得到一个Intel的CPU却配一个只支持AMD的主板。

  • 换肤功能 (Skinnable UI)：

    • 抽象工厂：UIThemeFactory (定义 createButton(), createCheckbox(), createWindow() 等方法)。
    • 具体工厂：WindowsThemeFactory (创建Windows风格的按钮、复选框、窗口)，MacThemeFactory (创建Mac风格的按钮、复选框、窗口)，DarkThemeFactory (创建暗黑主题的组件)。
    • 抽象产品：Button, Checkbox, Window (UI组件的接口)。
    • 具体产品：WindowsButton, MacButton, DarkButton 等。
      用户选择一个主题（比如“暗黑主题”），应用就会使用 DarkThemeFactory 来创建所有UI元素，确保界面风格统一。

3. 结构 (Structure)

抽象工厂模式通常包含以下角色：

  1. AbstractFactory (抽象工厂)：声明一个创建抽象产品对象的操作接口集合。通常每个抽象产品对应一个创建方法。
  2. ConcreteFactory (具体工厂)：实现 AbstractFactory 接口，负责创建具体产品族中的产品对象。系统可以有多个具体工厂，每个具体工厂创建一个具体的产品族。
  3. AbstractProduct (抽象产品)：为一类产品对象声明一个接口。系统中可以有多个不同的抽象产品，构成产品族。
  4. ConcreteProduct (具体产品)：定义一个将被相应的具体工厂创建的产品对象。它实现了 AbstractProduct 接口。
  5. Client (客户端)：仅使用 AbstractFactory 和 AbstractProduct 接口。客户端不关心具体是哪个工厂、哪个产品，它只知道它需要一个工厂来创建它需要的产品。
    在这里插入图片描述

4. 适用场景 (When to Use)

  • 一个系统要独立于它的产品的创建、组合和表示时。即，你希望客户端代码与具体产品的创建过程分离。
  • 一个系统要由多个产品系列中的一个来配置时。例如，系统需要支持多种“外观感觉”（Look and Feel）。
  • 当你要强调一系列相关的产品对象的设计以便进行联合使用时。
  • 当你提供一个产品类库，而只想显示它们的接口而不是实现时。

简单来说：

  • 需要创建的产品对象有复杂的关联关系（属于同一个产品族）。
  • 系统需要支持不同系列（族）的产品，并且可以在运行时切换。

5. 优缺点 (Pros and Cons)

优点：

  1. 分离接口和实现：客户端使用抽象接口，与具体的产品实现解耦。
  2. 易于交换产品系列：改变具体工厂即可改变整个产品系列，客户端代码无需修改。
  3. 有利于产品的一致性：当一个系列的产品对象被设计成一起工作时，抽象工厂模式能够保证客户端始终只使用同一个产品系列中的对象。

缺点：

  1. 难以扩展新的产品种类 (Product Kind)：如果要在产品族中增加一个新的产品种类（例如，在UI主题工厂中增加创建 ScrollBar 的方法），那么所有的抽象工厂接口和具体工厂实现都需要修改，这违反了开闭原则。对于这种情况，工厂方法模式可能更合适（每个产品种类一个工厂方法）。
  2. 类的数量会显著增加：每增加一个产品族，就需要增加一套对应的具体产品类和具体工厂类。

6. 实现方式 (Implementations)

让我们通过一个跨平台UI组件的例子来看看抽象工厂模式的实现。假设我们需要为Windows和macOS创建风格一致的按钮和文本框。

抽象产品 (Button, TextBox)
// ui_elements.go
package ui

// Button 按钮接口 (抽象产品A)
type Button interface {
	Render()
	OnClick()
}

// TextBox 文本框接口 (抽象产品B)
type TextBox interface {
	Render()
	SetText(text string)
	GetText() string
}

// Button.java
package com.example.ui;

// 按钮接口 (抽象产品A)
public interface Button {
    void render();
    void onClick();
}

// TextBox.java
package com.example.ui;

// 文本框接口 (抽象产品B)
public interface TextBox {
    void render();
    void setText(String text);
    String getText();
}
具体产品 (WindowsButton, WindowsTextBox, MacButton, MacTextBox)
// windows_elements.go
package ui

import "fmt"

// WindowsButton Windows风格按钮 (具体产品A1)
type WindowsButton struct{}

func (b *WindowsButton) Render()  { fmt.Println("Rendering a Windows style button.") }
func (b *WindowsButton) OnClick() { fmt.Println("Windows button clicked.") }

// WindowsTextBox Windows风格文本框 (具体产品B1)
type WindowsTextBox struct{ text string }

func (tb *WindowsTextBox) Render()        { fmt.Println("Rendering a Windows style text box.") }
func (tb *WindowsTextBox) SetText(text string) { tb.text = text }
func (tb *WindowsTextBox) GetText() string   { return tb.text }

// mac_elements.go
package ui

import "fmt"

// MacButton Mac风格按钮 (具体产品A2)
type MacButton struct{}

func (b *MacButton) Render()  { fmt.Println("Rendering a macOS style button.") }
func (b *MacButton) OnClick() { fmt.Println("macOS button clicked.") }

// MacTextBox Mac风格文本框 (具体产品B2)
type MacTextBox struct{ text string }

func (tb *MacTextBox) Render()        { fmt.Println("Rendering a macOS style text box.") }
func (tb *MacTextBox) SetText(text string) { tb.text = text }
func (tb *MacTextBox) GetText() string   { return tb.text }

// WindowsButton.java
package com.example.ui.windows;

import com.example.ui.Button;
import java.awt.FlowLayout;
import javax.swing.JButton;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JOptionPane;

// Windows风格按钮 (具体产品A1)
public class WindowsButton implements Button {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Rendering a Windows style button.");
        // 实际场景中可能会使用Swing/JavaFX等创建真实UI
        // JFrame frame = new JFrame("Windows Button");
        // JButton button = new JButton("Win Button");
        // button.addActionListener(e -> onClick());
        // frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        // frame.setLayout(new FlowLayout());
        // frame.add(button);
        // frame.setSize(200, 100);
        // frame.setVisible(true);
    }

    @Override
    public void onClick() {
        System.out.println("Windows button clicked.");
        // JOptionPane.showMessageDialog(null, "Windows Button Clicked!");
    }
}

// WindowsTextBox.java
package com.example.ui.windows;

import com.example.ui.TextBox;

// Windows风格文本框 (具体产品B1)
public class WindowsTextBox implements TextBox {
    private String text = "";
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Rendering a Windows style text box: [" + text + "]");
    }
    @Override
    public void setText(String text) { this.text = text; }
    @Override
    public String getText() { return this.text; }
}

// MacButton.java
package com.example.ui.mac;

import com.example.ui.Button;

// Mac风格按钮 (具体产品A2)
public class MacButton implements Button {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Rendering a macOS style button.");
    }
    @Override
    public void onClick() {
        System.out.println("macOS button clicked.");
    }
}

// MacTextBox.java
package com.example.ui.mac;

import com.example.ui.TextBox;

// Mac风格文本框 (具体产品B2)
public class MacTextBox implements TextBox {
    private String text = "";
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Rendering a macOS style text box: (" + text + ")");
    }
    @Override
    public void setText(String text) { this.text = text; }
    @Override
    public String getText() { return this.text; }
}
抽象工厂 (GUIFactory)
// gui_factory.go
package ui

// GUIFactory 抽象UI工厂 (抽象工厂)
type GUIFactory interface {
	CreateButton() Button
	CreateTextBox() TextBox
}

// GUIFactory.java
package com.example.ui;

// 抽象UI工厂 (抽象工厂)
public interface GUIFactory {
    Button createButton();
    TextBox createTextBox();
}
具体工厂 (WindowsFactory, MacFactory)
// windows_factory.go
package ui

// WindowsFactory Windows UI工厂 (具体工厂1)
type WindowsFactory struct{}

func (wf *WindowsFactory) CreateButton() Button {
	return &WindowsButton{}
}
func (wf *WindowsFactory) CreateTextBox() TextBox {
	return &WindowsTextBox{}
}

// mac_factory.go
package ui

// MacFactory Mac UI工厂 (具体工厂2)
type MacFactory struct{}

func (mf *MacFactory) CreateButton() Button {
	return &MacButton{}
}
func (mf *MacFactory) CreateTextBox() TextBox {
	return &MacTextBox{}
}

// WindowsFactory.java
package com.example.ui.windows;

import com.example.ui.Button;
import com.example.ui.GUIFactory;
import com.example.ui.TextBox;

// Windows UI工厂 (具体工厂1)
public class WindowsFactory implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() {
        System.out.println("WindowsFactory: Creating WindowsButton");
        return new WindowsButton();
    }
    @Override
    public TextBox createTextBox() {
        System.out.println("WindowsFactory: Creating WindowsTextBox");
        return new WindowsTextBox();
    }
}

// MacFactory.java
package com.example.ui.mac;

import com.example.ui.Button;
import com.example.ui.GUIFactory;
import com.example.ui.TextBox;

// Mac UI工厂 (具体工厂2)
public class MacFactory implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() {
        System.out.println("MacFactory: Creating MacButton");
        return new MacButton();
    }
    @Override
    public TextBox createTextBox() {
        System.out.println("MacFactory: Creating MacTextBox");
        return new MacTextBox();
    }
}
客户端使用 (Application)
// main.go (示例用法)
/*
package main

import (
	"fmt"
	"./ui" // 假设 ui 包在当前目录下
	"runtime"
)

// Application 客户端，它不知道具体的工厂和产品类
type Application struct {
	factory GUIFactory
	button  Button
	textBox TextBox
}

func NewApplication(factory ui.GUIFactory) *Application {
	app := &Application{factory: factory}
	app.button = factory.CreateButton()
	app.textBox = factory.CreateTextBox()
	return app
}

func (app *Application) Run() {
	app.button.Render()
	app.button.OnClick()
	app.textBox.SetText("Hello Abstract Factory!")
	app.textBox.Render()
	fmt.Println("Text from box:", app.textBox.GetText())
}

func main() {
	var factory ui.GUIFactory
	// 根据操作系统选择不同的工厂
	os := runtime.GOOS
	fmt.Println("Operating System:", os)

	if os == "windows" {
		factory = &ui.WindowsFactory{}
	} else if os == "darwin" { // darwin is macOS
		factory = &ui.MacFactory{}
	} else {
		fmt.Println("Unsupported OS, defaulting to Windows style.")
		factory = &ui.WindowsFactory{} // 默认或提供一个通用工厂
	}

	app := NewApplication(factory)
	app.Run()
}
*/

// Application.java (客户端)
package com.example;

import com.example.ui.Button;
import com.example.ui.GUIFactory;
import com.example.ui.TextBox;
import com.example.ui.mac.MacFactory;
import com.example.ui.windows.WindowsFactory;

public class Application {
    private Button button;
    private TextBox textBox;

    public Application(GUIFactory factory) {
        System.out.println("Client: Configuring application with a UI factory.");
        button = factory.createButton();
        textBox = factory.createTextBox();
    }

    public void run() {
        System.out.println("\nClient: Running the application UI...");
        button.render();
        button.onClick();
        textBox.setText("Hello Abstract Factory!");
        textBox.render();
        System.out.println("Text from box: " + textBox.getText() + "\n");
    }

    // Main.java (示例用法)
    /*
    public static void main(String[] args) {
        GUIFactory factory;
        Application app;

        String osName = System.getProperty("os.name").toLowerCase();
        System.out.println("Operating System: " + osName);

        if (osName.contains("win")) {
            factory = new WindowsFactory();
        } else if (osName.contains("mac")) {
            factory = new MacFactory();
        } else {
            System.out.println("Unsupported OS, defaulting to Windows style.");
            factory = new WindowsFactory(); // Default factory
        }

        app = new Application(factory);
        app.run();

        // 假设我们现在想切换到Mac主题 (如果当前不是Mac)
        if (!osName.contains("mac")) {
            System.out.println("\n--- Switching to Mac Theme for demonstration ---");
            factory = new MacFactory();
            app = new Application(factory);
            app.run();
        }
    }
    */
}

7. 与工厂方法模式的区别

抽象工厂模式和工厂方法模式是初学者容易混淆的两个模式。

  • 工厂方法模式 (Factory Method)：

    • 关注点：创建单个产品对象。
    • 结构：一个抽象工厂接口（通常只有一个创建方法 factoryMethod()），多个具体工厂实现它来创建不同的具体产品。
    • 目的：延迟产品的实例化到子类。
    • 解决问题：如何创建一个对象，但让子类决定具体创建哪个对象。

  • 抽象工厂模式 (Abstract Factory)：

    • 关注点：创建一系列相关的产品对象（一个产品族）。
    • 结构：一个抽象工厂接口（包含多个创建不同种类产品的抽象方法，如 createProductA(), createProductB()），多个具体工厂实现它来创建属于同一个产品族的不同具体产品。
    • 目的：提供一个接口，用于创建一系列相关或相互依赖的对象，而无需指定它们具体的类。
    • 解决问题：如何创建一组相互关联/依赖的对象，并保证它们之间是兼容的。

简单来说：

  • 如果你只需要创建一种产品，但希望由子类决定具体创建哪种类型，用工厂方法。
  • 如果你需要创建多种产品，这些产品需要配套使用（属于一个系列/族），并且希望客户端与具体产品解耦，用抽象工厂。

实际上，抽象工厂模式的实现中，每个具体工厂内部的创建方法（如 createButton()）通常可以使用工厂方法模式来实现，或者直接 new 具体产品。

8. 总结

抽象工厂模式是创建型模式中功能最强大但也相对复杂的模式之一。它通过提供一个抽象接口来创建一系列相关的产品对象（产品族），使得客户端代码可以独立于具体的产品实现。这对于需要支持多种产品系列（例如不同的UI主题、不同的数据库实现）并且希望在它们之间轻松切换的系统非常有用。

记住它的核心：创建产品家族，保证兼容性。

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