我的实用设计模式之Simple Factory,Factory Method和Abstract Factory
更新1：更新Factory Method部分，说明文中使用“参数化工厂方法”的实现，同时加入经典Factory Method的实现进行比较。
更新2：更新Abstract Factory部分，说明文中和Factory Method部分一样使用“定义可扩展的工厂”的实现，同时加入经典Abstract Factory的实现进行比较。
更新3：更新Abstract Factory部分，说明所有的抽象类（Abstract Classes）可以改为Interface。
Simple Factory
先从Simple Factory开始讲起，假设模拟一个电玩店的试玩系统，这个电玩店专卖出售PS3的游戏机以及相关配件以及提供PS3游戏的试玩服务，当一个用户想试玩的时候，需要选择一种游戏类型进行试玩，系统会选择生成其中一个游戏盘的对象：竞赛游戏（PS3RacingGameDisk），射击游戏(PS3ShootingGameDisk)以及格斗游戏(PS3FightingGameDisk)，这些游戏盘子类都分别继承自同一个游戏盘抽象类AbstractGameDisk。
图1
{
public string Name { get; set; }
public abstract void Load();
}
public class PS3RacingGameDisk : AbstractGameDisk
{
public override void Load()
{
Console.WriteLine("Load PS3 racing game.");
}
}
public class PS3ShootingGameDisk : AbstractGameDisk
{
public override void Load()
{
Console.WriteLine("Load PS3 shooting game.");
}
}
public class PS3FightingGameDisk : AbstractGameDisk
{
public override void Load()
{
Console.WriteLine("Load PS3 fighting game.");
}
}
public enum GameDiskType
{
RACING,
SHOOTING,
FIGHTING
}
public class PS3Player
{
public void PlayAGame(GameDiskType type)
{
//Get a console
//Get a joystick
//create a game disk
AbstractGameDisk disk;
switch (type)
{
case GameDiskType.RACING:
disk = new PS3RacingGameDisk();
break;
case GameDiskType.SHOOTING:
disk = new PS3ShootingGameDisk();
break;
case GameDiskType.FIGHTING:
disk = new PS3FightingGameDisk();
break;
default:
disk = null;
break;
}
//insert disk to console
//load game
//play and enjoy it
}
}
代码1
从上述代码看，如果我们需要增加新的游戏盘，例如角色扮演游戏（RolePlayGameDisk），那么生成游戏盘部分（见注释create a game disk处)需要增加case分支，这里存在着对具体游戏盘的对象实例化变化的需求。根据"对变化进行封装（Encapsulate what varies）"这一设计原则，对这个对象实例化的需求进行封装。 引入一个新的类来封装和处理对象生成的需求，这个类叫做PS3DiskFacotry。
{
public void PlayAGame(GameDiskType type)
{
//Get a console
//Get a joystick
//create a game disk
AbstractGameDisk disk = PS3DiskFactory.CreateGameDisk(type);
//insert disk to console
//load game
//play and enjoy it
}
}
public sealed class PS3DiskFactory
{
public static AbstractGameDisk CreateGameDisk(GameDiskType type)
{
switch (type)
{
case GameDiskType.RACING:
return new PS3RacingGameDisk();
case GameDiskType.SHOOTING:
return new PS3ShootingGameDisk();
case GameDiskType.FIGHTING:
return new PS3FightingGameDisk();
default:
return null;
}
}
}
代码2
从上面的代码看PS3DiskFactory专门负责游戏盘（AbstractGameDisk的具体子类）的实例化过程，当有新的游戏盘增加时，也就是实例化过程的需求发生变化时，全部变化会单独发生在PS3DiskFactory里面，也就是可变化的需求被封装到一个类里面了，这就是Simple Factory的实现。
Simple Factory就是把对象实例化过程的需求封装到一个Factory类里面，把实例化过程的变化限制到该Factory类里面。Simple Factory不是GoF的模式之一，却应用十分广泛，Abstract Factory等模式可以借助Simple Factory来实现。
图2
在上面图2上PS3DiskPlayer是一个Client类，由于对实例化需求的变化的封装，PS3DiskPlayer和具体的游戏盘类（PS3RacingGameDisk，PS3ShootingGameDisk和PS3FightingGameDisk等）彻底的解耦，PS3DiskPlayer只是依赖于他们共同的抽象类AbstractGameDisk和工厂类PS3DiskFactory。Simple Factory的作用就是用来“封装对象实例化可变化的需求”。
Factory Method
随着这个电玩店的发展，店里开始销售Wii游戏机和提供试玩服务，原先的系统需要更新符合这一新需求。参考Simple Factory的实现，我们可以很快速的实现增加Wii的需求。
{
public void PlayAGame(GameDiskType type)
{
//Get a console
//Get a joystick
//create a game disk
AbstractGameDisk disk = WiiDiskFactory.CreateGameDisk(type);
//insert disk to console
//load game
//play and enjoy it
}
}
public sealed class WiiDiskFactory
{
public static AbstractGameDisk CreateGameDisk(GameDiskType type)
{
switch (type)
{
case GameDiskType.RACING:
return new WiiRacingGameDisk();
case GameDiskType.SHOOTING:
return new WiiShootingGameDisk();
case GameDiskType.FIGHTING:
return new WiiFightingGameDisk();
default:
return null;
}
}
}
public class WiiRacingGameDisk : AbstractGameDisk
{
public override void Load()
{
Console.WriteLine("Load Wii racing game.");
}
}
public class WiiShootingGameDisk : AbstractGameDisk
{
public override void Load()
{
Console.WriteLine("Load Wii shooting game.");
}
}
public class WiiFightingGameDisk : AbstractGameDisk
{
public override void Load()
{
Console.WriteLine("Load Wii fighting game.");
}
}
代码3
图3
第一眼看是不是很容易实现了新的需求？Copy & Paste，稍稍修改一下就ok了。可是有没有发现两个Player类除了对GameDisk的实例化不同以外，其他的一模一样。我们根据第二个设计原则 "面向抽象编程，而不是面向具体编程（Depend on Abstractions, not on Concretions）" ,增加对各个具体Player的抽象类AbstractPlayer。Client面向的是Player的抽象类而不是具体的Player类（如PS3Player和WiiPlayer）。
{
public void PlayAGame(GameDiskType type)
{
//Get a console
//Get a joystick
//create a game disk
AbstractGameDisk disk = CreateGameDisk(type);
//insert disk to console
//load game
//play and enjoy it
}
protected abstract AbstractGameDisk CreateGameDisk(GameDiskType type);
}
public class PS3Player : AbstractPlayer
{
protected override AbstractGameDisk CreateGameDisk(GameDiskType type)
{
return PS3DiskFactory.CreateGameDisk(type);
}
}
public class WiiPlayer : AbstractPlayer
{
protected override AbstractGameDisk CreateGameDisk(GameDiskType type)
{
return WiiDiskFactory.CreateGameDisk(type);
}
}
代码4
图4
引入对各个具体Players类的抽象类AbstractPlayer后，在Client中可以声明AbstractPlayer的引用，而具体的Player对象的实例化过程留给具体的Player类（PS3Player或者WiiPlayer）来实现。AbstractPlayer声明CreateGameDisk方法负责实例化AbstractGameDisk的子类对象，具体的Player类负责实例化具体的AbstractGameDisk的子类。这个Method（CreateGameDisk）的行为就是一个Factory,所以称为Factory Method。
由于在介绍Factory Method之前，已经介绍了Simple Factory，因此我在上述的实现里面直接使用了Simple Factory的两个工厂PS3DiskFactory和WiiDiskFactory负责对各个具体GameDisk类（PS3RacingGameDisk, PS3ShootingGameDisk,PS3FightingGameDisk以及WiiRacingGameDisk, WiiShootingGameDisk,WiiFightingGameDisk）对象的实例化，如果用经典的Factory Method实现，实现变成以下。
图5
如果使用经典Factory Method实现，每一个具体GameDisk类（PS3RacingGameDisk等）对象的实例化都分别有一个具体的工厂类（WiiRacingGameCreator等）来负责，的下面是一个典型的Factory Method的UML图，用于比较。
图6
从图5和图6可以看，AbstractPlayer就是抽象Creator，而WiiRacingGameCreator等为ConcreteCreator。AbstractPlayer定义了一个方法CreateGameDisk()就是FactoryMehod()。AbstractPlayer只是定义实例化方法，但是不知道具体如何实例化对象，实例化那个具体的对象，这些都是由WiiRacingGameCreator等ConcreteCreator来负责。
在代码4和图4的实现中PS3Player和WiiPlayer是一个ConcreteCreator，CreateGameDisk()就是FactoryMethod()，AbstractPlayer只是定义实例化方法，但是不知道具体如何实例化对象，实例化那个具体的对象，这些都是由PS3Player和WiiPlayer负责的，PS3Player和WiiPlayer是借助于Simple Factory来实例化对象。
根据GoF，图5和图4的两种方法都是符合Factory Method的，图5的方法为经典手法，图4的方法为“参数化工厂方法”，关于“参数化工厂方法”可以参考GoF第三章 3.3 FACTORY METHOD里面的第9节第2点。
Factory Method是一个推迟实例化的过程，在抽象类（Creator）定义实例化的行为（FactoryMethod），然后由具体的子类（ConcreteCreator）决定具体实例化的对象。其实在OO中，抽象类负责定义行为（在C#中为Method或者Property），子类负责实现行为，运行时动态调用不同行为称为 多态（polymorphism）。但是构造函数不能实现多态，Factory Method就是解决对象实例化的多态问题。Factory Method的别名也叫Virtual Constructor，为什么这样叫呢？因为在C++里面实现多态都要定义Virtual Function(虚函数)，但是Constructor是不能定义为virtual的，Factory Method恰恰解决这个问题，所以也就Virtual Constructor了。
Abstract Factory
上面讲述的Simple Factory和Factory Method都是为了解决游戏盘（GameDisk）的对象的实例化过程，如果在Player中的其他引用（例如游戏主机GameConsole和手柄Joystick）都需要实现实例化不同的对象。那么就不仅仅需要CreateGameDisk()，而且需要CreateGameConsole()和CreateJoystick()来实例化具体的对象。抽象类AbstractPlayer组合这些Factory Methods，实现如下。
{
public abstract AbstractGameDisk CreateGameDisk(GameDiskType type);
public abstract AbstractGameConsole CreateGameConsole();
public abstract AbstractJoystick CreateJoystick();
}
public class PS3Player : AbstractPlayer
{
public override AbstractGameDisk CreateGameDisk(GameDiskType type)
{
return PS3DiskFactory.CreateGameDisk(type);
}
public override AbstractGameConsole CreateGameConsole()
{
return new PS3Console();
}
public override AbstractJoystick CreateJoystick()
{
return new PS3Joystick();
}
}
public class WiiPlayer : AbstractPlayer
{
public override AbstractGameDisk CreateGameDisk(GameDiskType type)
{
return WiiDiskFactory.CreateGameDisk(type);
}
public override AbstractGameConsole CreateGameConsole()
{
return new WiiConsole();
}
public override AbstractJoystick CreateJoystick()
{
return new WiiJoystick();
}
}
public abstract class AbstractGameDisk
{
public string Name { get; set; }
public abstract void Load();
}
public abstract class AbstractGameConsole
{
public void InsertGameDisk(AbstractGameDisk disk) { }
public void PluginJoystick(AbstractJoystick joystick) { }
}
public abstract class AbstractJoystick
{
}
public class PS3Console : AbstractGameConsole
{
}
public class PS3Joystick : AbstractJoystick
{
}
public class WiiConsole : AbstractGameConsole
{
}
public class WiiJoystick : AbstractJoystick
{
}
代码5
AbstractPlayer不再负责PlayAGame的功能，只是声明了一系列产品的实例化的Methods。AbstractPlayer还是Factory Method的一个集合。 我们需要实现PlayAGame的功能，基于设计原则"组合优于继承（Favor Object composition over inheritance）"，我们定义一个新的类（Player）负责PlayAGame的功能，而Player调用工厂类（AbstractPlayer）来负责各个对象的生成，这就是Abstract Factory模式的实现。
{
PS3,
WII
}
public class Player
{
private AbstractPlayer playerFactory;
public Player(GameDevice device)
{
switch (device)
{
case GameDevice.PS3:
playerFactory = new PS3Player();
break;
case GameDevice.WII:
playerFactory = new WiiPlayer();
break;
}
}
public void PlayAGame(GameDiskType type)
{
//Get a console
AbstractGameConsole console = CreateGameConsole();
//Get a joystick
AbstractJoystick joystick = CreateJoystick();
console.PluginJoystick(joystick);
//create a game disk
AbstractGameDisk disk = CreateGameDisk(type);
//insert disk to console
console.InsertGameDisk(disk);
//load game
//play and enjoy it
}
private AbstractGameDisk CreateGameDisk(GameDiskType type)
{
return playerFactory.CreateGameDisk(type);
}
private AbstractGameConsole CreateGameConsole()
{
return playerFactory.CreateGameConsole();
}
private AbstractJoystick CreateJoystick()
{
return playerFactory.CreateJoystick();
}
}
代码6
图7（原图6）
Player（Client）完全不知道GameConsole，Joystick和GameDisk这一系列的产品到底如何实例化的，这些都由具体工厂（PS3Player或者WiiPlayer）来负责一系列相关联的产品（也就是对象）的实例化，这一系列相关联的产品称为产品族（product family）。和图4的Factory Method实现一样，这里对GameDisk的生成还是借助了Simple Factory来完成。我把实现简化一下，使得这个实现更像经典的Abtract Factory的实现。Player借助AbstractPlayer实例化产品族，产品族下的所有产品具体协同工作，而Player只是依赖于产品族下产品的抽象类而不是具体类，也就是说，产品族的替换不会影响Player类的PlayAGame()。这一特性适合可替换产品族的设计，例如不同桌面主题的设计和不同数据库访问组件的设计，ADO.net的数据库访问层就是基于Abstract Factory模式设计的。
图8
以下为一个经典Abtract Factory的实现，用于对比参考。
图9
图8为简化了图7的设计，把PS3DiskFactory和WiiDiskFactory这两个Simple Factory去掉了，由PS3Player分别WiiPlayer直接生成各个具体GameDisk类(PS3RacingGameDisk, PS3ShootingGameDisk,PS3FightingGameDisk以及WiiRacingGameDisk, WiiShootingGameDisk,WiiFightingGameDisk)。图8是Abstract Factory的经典实现，而图7叫做“定义可扩展的工厂”，参见GoF第三章3.1 ABSTRACT FACTORY的第9节的第3点。
从图8和图9看Player就是Client，AbstractPlayer就是AbstractFactory，CreateGameDisk(),CreateGameConsole()和CreateJoystick()就是CreateProduct1()和CreateProduct2()。AbstractGameConsole，AbstractJoystick和AbstractGameDisk就是AbstractProduct1和AbstractProduct2。PS3Player和WiiPlayer为ConcreteFactory1和ConcreteFactory2负责生产AbstractGameConsole等抽象产品的具体产品，这些具体产品为PS3GameConsole,PS3Joystick和PS3RacingGameDisk等。
根据小猴子的建议在代码6可以看到所有的抽象类（Abstract Classes）只有定义需要子类实现方法，没有共同逻辑的实现方法，所以可以把全部的抽象类（Abstract Classes）使用Interface来实现。
Abstract Factory有几个特点：
1.每次生产一系列相关联的产品，例如WiiGameConsole,WiiJoystick和WiiRacingGameDisk等等，他们之间是协调工作，例如CreateGame有InsertGameDisk()，表示WiiGameConsole和WiiRacingGameDisk协调工作。
2.不同产品族直接的产品不可以相互替换，例如PS3Joystick不能用于WiiGameConsole。
3.保证了产品的一致性，却难以支持新产品。使用Abstract Factory一般在产品族相当固定的情景下，例如XBox游戏机也是有GameConsole,Joystick和GameDisk，那么实现XBoxPlayer等产品族就可以支持XBox游戏机，但是如果需要更改产品族的产品，例如某新型游戏机不使用GameDisk而是使用HardDisk来Load游戏的话，那么现有的设计就不能支持这一新型游戏机。
在代码6中Player中把抽象工厂类(AbstractPlayer)作为一个成员，在Player的构造函数中使用了条件选择（switch）生成具体工厂，这里可以通过Simple Factory来对具体工厂的实例化。
根据winter-cn的建议可以把工厂作为参数传递到Player里面，这样做Player就不再负责具体工厂的生成过程，这样Player的类需要耦合具体的工厂，其实两种方法都是可以的，这只是一个Client的行为。
这些我对Simple Factory,Factory Method和Abstract Factory的想法，欢迎指教。
Jake's Blog in 博客园 -- 精简开发 无线生活
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