chatGPT教你设计模式[2] ——创建型模式（工厂模式）

Posted 2023-01-21 刘炫320

1. 引言

在软件开发中，我们经常需要创建对象来封装数据和实现业务逻辑。然而，如果直接在代码中使用 new 关键字来创建对象，会使得代码的耦合度增加，系统的可扩展性和可维护性降低。这时，工厂模式就派上用场了。

工厂模式是软件设计模式中最常用的创建型模式之一，它提供了一种创建对象的最佳方式。工厂模式可以将对象的创建和使用分离开来，使得代码更加灵活，并且提高了系统的可扩展性和可维护性。

在工厂模式中，我们通常有三种实现方式：简单工厂模式、抽象工厂模式和工厂方法模式。在本篇博客中，我们将深入介绍这三种工厂模式的基本概念、结构、优缺点和应用场景，帮助你更好地理解和应用这些模式。

2 简单工厂模式

简单工厂模式是一种创建型设计模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

在简单工厂模式中，有一个工厂类，该类负责创建其他类的实例。工厂类包含一个用于创建对象的方法，该方法通过传递参数来决定要创建哪种对象。

例如，假设我们有一个用于创建不同类型的形状的工厂类，我们可以使用如下代码实现它：

class ShapeFactory:
    @staticmethod
    def get_shape(shape_type):
        if shape_type == 'circle':
            return Circle()
        elif shape_type == 'square':
            return Square()
        elif shape_type == 'rectangle':
            return Rectangle()

class Circle:
    def draw(self):
        print("Drawing a circle")

class Square:
    def draw(self):
        print("Drawing a square")

class Rectangle:
    def draw(self):
        print("Drawing a rectangle")

# usage
factory = ShapeFactory()
shape = factory.get_shape("circle")
shape.draw() # Output: Drawing a circle

在这个例子中，我们定义了一个 ShapeFactory 类，它包含一个静态方法 get_shape，该方法接收一个字符串参数，用于决定要创建哪种形状。我们还定义了三个形状类，分别是 Circle、Square 和 Rectangle，每个类都有一个 draw 方法，用于绘制形状。

通过调用工厂类的 get_shape 方法，我们可以轻松地创建不同类型的形状，而无需要直接使用具体的形状类，这样我们就可以避免在代码中出现大量的条件语句。

2.1. 模式优缺点

简单工厂模式的优点在于，它可以使代码的可读性和可维护性提高，因为它隐藏了具体的实现细节，只暴露了一个简单的接口供外界调用。

但是，简单工厂模式也有一些缺点。首先，如果需要增加新的类型，则必须修改工厂类的代码，这违反了“开放-封闭原则”。其次，如果需要增加新的类型，则必须对工厂类进行测试，以确保修改后的代码仍然能够正常工作。

2.2 模式结构

简单工厂模式的结构如下：

• 工厂类角色：它是简单工厂模式的核心，负责实现创建所有产品实例的内部逻辑。工厂类可以被外界直接调用，创建所需的产品对象。
• 抽象产品角色：它是工厂类所创建的所有对象的父类，封装了各种产品对象的公有方法。
• 具体产品角色：它是简单工厂模式的创建目标，所有被创建的对象都充当这个角色的某个具体类的实例。

在设计模式中，简单工厂模式是一种比较简单的创建型模式，它适用于只有少数产品类的场景，但如果产品类数量较多，就会导致工厂类的代码变得臃肿，不利于维护。因此，在设计模式中，简单工厂模式通常被视为一种“过渡”模式，它可以帮助开发人员理解工厂模式的基本思想，并为进一步学习更高级的工厂模式（如工厂方法模式和抽象工厂模式）打下基础。

3 抽象工厂模式

抽象工厂模式是一种创建型设计模式，它提供了一种创建相关或依赖对象的最佳方式。

在抽象工厂模式中，有一个抽象工厂类，它包含多个用于创建不同类型对象的抽象方法。具体工厂类继承抽象工厂类，并实现抽象方法，从而创建具体的对象。

与简单工厂模式相比，抽象工厂模式更加灵活，因为它允许开发人员创建不同的工厂类来生成不同的对象。这样，在新增类型时，只需要创建新的具体工厂类和相应的对象类，就不需要修改已有的代码。

例如，假设我们有一个抽象工厂类用于创建不同类型的车辆，我们可以使用如下代码实现它：

class VehicleFactory:
    def get_vehicle(self, vehicle_type):
        pass

class CarFactory(VehicleFactory):
    def get_vehicle(self, vehicle_type):
        if vehicle_type == 'small':
            return SmallCar()
        elif vehicle_type == 'medium':
            return MediumCar()
        elif vehicle_type == 'large':
            return LargeCar()

class BikeFactory(VehicleFactory):
    def get_vehicle(self, vehicle_type):
        if vehicle_type == 'small':
            return SmallBike()
        elif vehicle_type == 'medium':
            return MediumBike()
        elif vehicle_type == 'large':
            return LargeBike()

class SmallCar:
    def __str__(self):
        return "Small Car"

class MediumCar:
    def __str__(self):
        return "Medium Car"

class LargeCar:
	def __str__(self):
        return "Large Car"
class SmallBike:
    def __str__(self):
        return "Small Bike"

class MediumBike:
    def __str__(self):
        return "Medium Bike"

class LargeBike:
    def __str__(self):
        return "Large Bike"

# usage
car_factory = CarFactory()
bike_factory = BikeFactory()

small_car = car_factory.get_vehicle("small")
print(small_car) # Output: Small Car
medium_car = car_factory.get_vehicle("medium")
print(medium_car) # Output: Medium Car
large_car = car_factory.get_vehicle("large")
print(large_car) # Output: Large Car

small_bike = bike_factory.get_vehicle("small")
print(small_bike) # Output: Small Bike
medium_bike = bike_factory.get_vehicle("medium")
print(medium_bike) # Output: Medium Bike
large_bike = bike_factory.get_vehicle("large")
print(large_bike) # Output: Large Bike

在这个例子中，我们定义了一个抽象工厂类 VehicleFactory，它包含一个抽象方法 get_vehicle，用于创建车辆对象。我们还定义了两个具体工厂类，分别是 CarFactory 和 BikeFactory，它们分别继承了 VehicleFactory 类并实现了 get_vehicle 方法。

通过调用具体工厂类的 get_vehicle 方法，我们可以轻松地创建不同类型的车辆对象，而无需直接使用具体的车辆类。

3.1 模式优缺点

优点：

• 封装性好
  抽象工厂模式隔离了具体类的生成，使得用户不需要知道什么被创建。用户只需要知道所对应的工厂即可得到所需要的产品，而无需关心创建细节。

• 产品族内的约束是更少的
  抽象工厂模式中的抽象工厂角色只需要提供多个生成产品的方法，这样，在系统中只需要有抽象工厂的具体实现类对应的具体产品即可。

缺点：

• 产品族扩展麻烦
  抽象工厂模式需要增加新的产品族时，需要修改抽象工厂和所有的具体工厂类，这违背了“开闭原则”。

• 产品等级结构扩展麻烦
  抽象工厂模式需要增加新的产品等级结构时，需要修改抽象工厂和所有的具体工厂类，这也违背了“开闭原则”。

3.2 模式结构

抽象工厂模式是一种创建型设计模式，它提供一种方法来创建一组相关或相互依赖的对象，而无需指定它们具体的类。抽象工厂模式有四个要素：

抽象工厂类：抽象工厂类是工厂模式的核心，它声明了创建所有产品对象的方法。

具体工厂类：具体工厂类是抽象工厂类的子类，它实现了在抽象工厂中声明的创建产品的方法。

抽象产品类：抽象产品类是工厂模式所创建的对象的超类型，声明了产品对象的主要特征和功能。

具体产品类：具体产品类是抽象产品类的子类，它实现了抽象产品类中声明的方法，构成了具体的产品对象。

总的来说，抽象工厂模式是一种很有用的设计模式，它能够提供一组相关的产品对象，而无需指定它们的具体类。但是，在实际使用中，需要注意增加新的产品等级结构可能会比较困难，因此需要谨慎使用。

3. 工厂方法模式

工厂方法模式是一种创建型设计模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

在工厂方法模式中，有一个抽象工厂类，它包含一个抽象方法用于创建对象。具体工厂类继承抽象工厂类，并实现抽象方法，从而创建具体的对象。

与抽象工厂模式相比，工厂方法模式更加灵活，因为它允许开发人员创建不同的工厂类来生成不同的对象，而不需要修改已有的代码。

例如，假设我们有一个抽象工厂类用于创建不同类型的车辆，我们可以使用如下代码实现它：

from abc import ABC, abstractmethod

class VehicleFactory(ABC):
    @abstractmethod
    def get_vehicle(self):
        pass

class CarFactory(VehicleFactory):
    def get_vehicle(self):
        return Car()

class BikeFactory(VehicleFactory):
    def get_vehicle(self):
        return Bike()

class Car:
    def __str__(self):
        return "Car"

class Bike:
    def __str__(self):
        return "Bike"

# usage
car_factory = CarFactory()
car = car_factory.get_vehicle()
print(car) # Output: Car

bike_factory = BikeFactory()
bike = bike_factory.get_vehicle()
print(bike) # Output: Bike

在这个例子中，我们通过调用具体工厂类的 get_vehicle 方法来创建车辆对象。

3.1 模式优缺点

优点：

• 在工厂方法模式中，工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口，而子类则负责生成具体的产品对象，这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到子类中完成，即由子类来决定究竟应该实例化哪一个类。

• 工厂方法模式通过使用面向对象的编程技巧，实现了在不修改具体工厂角色的情况下引进新的产品。

• 工厂方法模式在系统中加入新产品时，无须修改抽象工厂和抽象产品提供的接口，无须修改客户端，也无须修改其代码。

缺点：

• 在添加新产品时，需要编写新的具体产品类和对应的具体工厂类，这增加了系统的复杂度。

• 如果产品类型较多，则会有较多的具体工厂和具体产品类，增加了系统的维护难度。

3.2 模式结构

工厂方法模式的结构如下所示：

抽象工厂（Abstract Factory）：它是工厂方法模式的核心，与应用程序无关。任何在模式中创建的对象的工厂类必须实现这个接口。

具体工厂（Concrete Factory）：它实现了抽象工厂中定义的接口，并且负责生产一种具体的产品。一个应用程序通常只需要一个具体工厂类。

抽象产品（Abstract Product）：它是工厂方法模式所创建的对象的超类型，也就是产品对象的共同父类或共同拥有的接口。

具体产品（Concrete Product）：它是继承了抽象产品类的具体类，每一个具体产品都提供了唯一的功能。

客户端（Client）：它是使用工厂方法模式的角色，它需要创建一个产品对象，但是它并不知道具体的产品类，只需要知道所对应的工厂即可。

工厂方法模式是比较简单的，它用来创建一类产品，而且在添加新产品时，无须修改抽象工厂和抽象产品提供的接口，也无须修改客户端。但它同时也有一些缺点，需要编写新的具体产品类和对应的具体工厂类，这增加了系统的复杂度。此外，如果产品类型较多，则会有较多的具体工厂和具体产品类，增加了系统的维护难度。

总的来说，工厂方法模式是一种非常实用的设计模式，适用于在不同条件下创建不同对象的场景。它比简单工厂模式和抽象工厂模式更加灵活，能够满足更复杂的需求。

4 抽象工厂模式和工厂方法模式比较

4.1 两者的区别

抽象工厂模式和工厂方法模式是两种常用的工厂模式，它们都用于解决在软件开发中对象的创建问题。但是两者还是有一些区别的。

首先，抽象工厂模式的目的是为了创建一组相关的或相互依赖的产品，而工厂方法模式的目的是为了创建一类产品。

其次，抽象工厂模式的结构较复杂，它需要定义抽象工厂类、具体工厂类、抽象产品类和具体产品类，而工厂方法模式的结构较简单，它只需要定义抽象工厂类、具体工厂类和具体产品类。

最后，抽象工厂模式的扩展性较差，当需要增加新的产品族时，需要修改抽象工厂类的源代码，而工厂方法模式的扩展性较好，只需要增加新的具体工厂类和具体产品类即可。

总的来说，抽象工厂模式适用于创建一组相关的或相互依赖的产品，而工厂方法模式适用于创建一类产品。在选择使用哪种工厂模式时，应该根据具体的需要和情况来决定。

4.2 两者的联系

工厂方法模式是抽象工厂模式的简化版，它将抽象工厂模式中的抽象产品类去掉，只保留具体产品类和抽象工厂类。这就使得工厂方法模式的结构比抽象工厂模式更加简单。

同时，在工厂方法模式中，具体工厂类的职责也比较单一，只需要负责生产具体产品，不需要负责生产多个产品等职责。这也使得工厂方法模式比抽象工厂模式更加简单。

在某些情况下，缺少抽象产品类可能会使工厂方法模式的结构变得更加复杂。

举个例子，假设你的系统中有一类产品，比如电子产品，它可以有手机、电脑等不同的产品。如果你使用工厂方法模式来实现这个系统，那么你需要为每种产品都定义一个具体产品类，比如 MobilePhone、Computer 等。

但是，如果你使用抽象工厂模式来实现这个系统，你可以将所有的产品都定义在一个抽象产品类的子类中，比如 Product 类的子类 MobilePhone、Computer 等。这样，就可以避免定义多个具体产品类，使得系统的结构变得更加简单。

总的来说，工厂方法模式的优点在于它的结构比较简单，实现较为容易。但是，在某些情况下，缺少抽象产品类可能会使得系统的结构变得更加复杂，不利于代码的维护和扩展。所以，在使用工厂方法模式时，如果需要添加新的具体产品类，就需要修改工厂类的代码，这违背了开闭原则。如果有多个产品族，就需要定义多个工厂类，这会增加系统的复杂度。

如果使用抽象工厂模式，就可以在不修改工厂类的情况下，通过增加新的具体产品类和抽象产品类来扩展系统，同时也可以很方便地支持多个产品族。

因此，抽象工厂模式在支持多个产品族和扩展性较强的场景中更为适用，而工厂方法模式则适用于只有一个产品族且扩展性不是很强的场景。

4.3 如何选择两者的使用？

工厂方法模式和抽象工厂模式都有各自的优点和适用场景。

抽象工厂模式适用于需要创建一组相关或相互依赖的产品的场景，比如需要同时创建一个汽车、一个发动机和一个轮胎。在这种情况下，抽象工厂模式可以满足需求，因为它能够提供一个规范，用于定义所有可能被创建的产品对象的接口，并负责提供这些产品对象的具体实例。

然而，在一些情况下，可能并不需要创建一组相关或相互依赖的产品，只需要创建一个单独的产品对象就可以了。在这种情况下，使用抽象工厂模式可能会显得多余，因为它提供的功能超出了实际需求。这就是工厂方法模式的优势所在。

工厂方法模式只需要一个工厂接口和若干个具体工厂类，就能实现对单个产品的创建。比如，只需要创建一个汽车，就可以使用工厂方法模式。它比抽象工厂模式更简单，代码量也更少，更容易理解。但是，如果我们的系统需要支持多种产品，并且所有的产品都在一个产品族内，那么抽象工厂模式是更好的选择。如果只需要支持一种产品，那么工厂方法模式是更好的选择。

5. 小结

在本篇博客中，我们介绍了三种常用的工厂模式：简单工厂模式、抽象工厂模式和工厂方法模式。

简单工厂模式是最简单的工厂模式，它通过一个工厂类来负责创建其他对象。简单工厂模式的优点在于实现简单，但是缺点是不够灵活，不能应对新的需求变化。

抽象工厂模式是一种比较高级的工厂模式，它能够创建多个产品族的产品。抽象工厂模式的优点在于能够应对新的需求变化，但是缺点是实现较复杂。

工厂方法模式是一种常用的工厂模式，它使用一个抽象工厂来负责创建一组相关的产品。工厂方法模式的优点在于能够应对新的需求变化，并且实现较为灵活。

通过本篇博客的内容，我们已经深入了解了简单工厂模式、抽象工厂模式和工厂方法模式的基本概念、结构、优缺点和应用场景。希望本篇博客能够为你的学习带来帮助，并吸引你持续关注该博客。