工廠模式辨析與應用研究

吳清壽

(武夷學院數學與計算機系,福建武夷山 354300)

工廠模式辨析與應用研究

吳清壽

(武夷學院數學與計算機系,福建武夷山 354300)

通過使用工廠模式封裝了易變對象,屏蔽了客戶需求變化的負面影響,解決了客戶和具體對象的緊耦合。本文討論工廠模式中簡單工廠模式、工廠方法模式和抽象工廠模式的基本結構,并對其適用場景和優缺點進行深入剖析。為進一步降低客戶對工廠對象的依賴,用1NET中的反射機制和配置文件動態地創建工廠對象。

設計模式;工廠模式;設計原則;反射;配置文件

用面向對象技術開發應用系統,實例化對象是不可避免的而且是很頻繁的。當所實例化的對象是穩定的,也就是不會經常變化,這時并沒有問題。當所實例化的對象因需求變化而經常發生變化,這將造成客戶代碼的不穩定,因為每一次對象的變更都需要修改客戶代碼。需求變化可能不僅僅是變更對象,還可能需要增刪對象,此時原來的系統將發生劇烈變化,需要修改的部分不止是一行或幾行代碼,而可能是結構上的變化,這種修改有時是災難性的,因為可能引起系統中多個子系統的變化。

面向對象的一個重要設計原則就是封裝變化點,封裝指的是任何形式的隱藏,包括數據隱藏、實現隱藏、類隱藏、設計隱藏和實例化隱藏,本文特指實例化隱藏。如果有一個組件能夠用于封裝對象的創建和管理,而客戶只和該組件交互,這樣將大幅度減少客戶對具體對象的依賴,從而達到客戶代碼的相對穩定。設計模式中的工廠模式為解決該問題提供了一種可能,它通過專門的類用于實例化并獲得對象,這個類稱為工廠。根據實例化的時機、所創建對象的層次結構和關聯度,這里把工廠模式劃分為簡單工廠模式、工廠方法模式和抽象工廠模式。

1 工廠模式概述

1.1 簡單工廠模式

簡單工廠模式的意圖:實例化對象,而不需要客戶了解這個對象屬于哪個具體的子類[1-2]。通常由一個工廠對象決定創建出哪一種產品類的實例,簡單工廠模式并不屬于G OF23種模式,通常作為工廠方法模式的一個特例加以討論,這里將其單獨作為一種模式討論有助于更全面把握工廠模式的本質。

從圖1中可以看到,客戶 (Client)扮演著產品消費者的角色,它只依賴于工廠 (Factory)和抽象產品(Product),但它不知道也不需要知道到底有哪些具體產品,其所需的一切產品由工廠提供,這種結構解耦了客戶和具體產品類。當具體產品類發生變化時,客戶中的代碼無需修改,這符合開閉原則。

對工廠而言,它必須知道所有的產品,它還負責創建產品并將產品提供給客戶,如果產品類型發生變更,則需要修改工廠。

1.2 工廠方法模式

工廠方法模式的意圖:定義一個用于創建對象的接口,讓子類決定實例化哪一個類。工廠方法使一個類的實例化延遲到其子類[1,4]。

圖1 簡單工廠模式結構

在圖2中,Creator聲明工廠方法FactoryMethod()返回一個Product類型的對象,ConcreteCreator重定義工廠方法以返回一個ConcreteProduct實例。這里的核心是工廠方法FactoryMethod(),在Creator類中它是抽象的,而在ConcreteCreator類中它將根據需要實例化具體產品類并將其返回給客戶。這樣的好處是當增加一個新產品,原來的ConcreteCreator類不需要修改,所要做的工作就是再增加一個ConcreteCreator類并實現Facto2 ryMethod()方法,用以創建和返回新產品。

圖2 工廠方法模式結構

1.3 抽象工廠模式

抽象工廠模式的意圖:提供一個創建一系列相關或相互依賴對象的接口,而無需指定它們具體的類[1,4]。在圖3中,AbstractProductA和AbstractProductB代表多個產品系列的抽象,具體產品則由具體工廠創建,Client只使用AbstractProduct和AbstractFactory類聲明的接口,無需了解具體產品細節。所以,抽象工廠的主要作用就是提供一種封裝機制來解決客戶和多系列具體對象創建工作的緊耦合。

2 工廠模式辨析

通過對三個模式的共性和差異進行探討,了解其主要應用場景及優缺點,將有助于在具體的系統設計中選擇合適的設計模式。

2.1 共性

工廠模式屬于創建型模式,其最核心的功能就是封裝具體類的信息并隱藏這些類實例的創建過程,減少系統中對象之間的緊耦合關系,降低因需求頻繁變化引起的系統框架變動和代碼修改,為系統擴展留下空間,從而使得系統更有彈性。工廠模式遵循針對接口編程的原則,用接口代替將來可能變化的對象,依靠工廠類或工廠方法負責具體對象創建工作,降低客戶對具體對象的依賴性,滿足系統變化的需求。

2.2 優缺點

圖3 抽象工廠模式結構

簡單工廠模式中工廠類負責具體產品的實例化工作,其優點是隔離了客戶端和具體產品,使得客戶端相對獨立于具體產品的創建過程,在系統引入新產品時無需修改客戶端,但需要修改工廠類。

工廠方法模式利用多態性對簡單工廠模式進行了抽象和推廣,克服了簡單工廠模式中需要經常修改工廠類的缺點。原來的工廠類變成了抽象類,并給出具體工廠子類要實現的接口即工廠方法,本身不再決定具體產品的實例化,而是由子類決定創建哪個具體產品。當引入新產品,原來的具體工廠保持不變,只需增加一個新的具體工廠。這種結構符合開閉原則,為具有穩定接口的產品系列頻繁變化提供了封裝機制。工廠方法模式雖然解耦了客戶端和具體產品,但增加了客戶端和具體工廠的耦合,我們可以利用1NET中的反射機制來解決這種耦合問題。

抽象工廠模式提供一個抽象接口 (接口或抽象類)用來創建產品家族,其具體子類提供負責在抽象工廠中創建產品的方法,通常以工廠方法來實現。抽象工廠模式使得易于更換產品系列,一個具體工廠對應一個產品系列,在系統中只需改變具體工廠就可以使用不同的產品。抽象工廠模式難以支持新種類的產品,因為抽象工廠接口確定了可以被創建的產品集合,增加新產品就意味著需要擴展工廠接口,這將造成抽象工廠和所有子類都需要改變接口。

另外,工廠方法模式屬于類創建型模式,它使用繼承改變被實例化的類,而抽象工廠模式屬于對象創建型模式,它將實例化委托給另一個對象。

3 基于反射機制的工廠模式

3.1 反射機制概述

反射 (Reflection)是1NET中的重要機制,通過反射,系統具有審查元數據并收集關于它的類型信息的能力,可以在運行時獲得1NET中每一個類型的成員,包括方法、屬性、事件以及構造函數等。獲得了構造函數的信息,即可動態創建對象,該功能為簡化工廠模式應用提供了一種解決方案。

3.2 從配置文件中讀取類型名稱

為了避免將類型名稱硬編碼在代碼中,可以將類型名存儲在ASP1NET應用程序的web1config文件中或Windows應用程序的app1config文件中。類型名存儲為鍵/值對的形式,可以在運行時使用key查找存儲在AppSettings屬性中的值。在應用程序的app1config文件的節點中添加以下代碼:

3.3 反射機制在工廠模式中的應用

利用CreateInstance方法可以動態創建工廠對象,其中程序集名稱一般比較穩定,因而可以直接在代碼中嵌入。而根據不同的需求,客戶所使用的工廠經常發生變化,這時,可以通過讀取配置文件來獲得工廠類型名稱,當需要更換工廠時,只需更改配置文件中value即可,或者在代碼中更改key所對應的工廠類型名稱。

從以上代碼可以看出,客戶沒有與具體產品耦合,也沒有與具體工廠耦合,反射機制通過動態創建對象使得程序框架更加具有彈性和靈活性。在對于簡單工廠模式、工廠方法模式和抽象工廠模式的應用中,雖然細節上略有不同,但基本原理和操作方式與上述過程類似。

4 結語

實際上所有的創建型模式都是工廠模式,因為它們所解決的主要問題就是對象的創建和管理工作。針對如何創建對象、誰來創建對象、何時創建對象等問題,工廠模式提供了一些頗具彈性的解決辦法,從而有助于保持系統中對象內聚、解耦和可測試。

在遵循面向對象設計原則方面,開閉原則 (OCP)、依賴倒置原則 (DIP)和Liskov替換原則 (LSP)為工廠模式實施提供了主要根據[3,5]。開閉原則使得系統更具健壯性、可維護性和可重用性,依賴倒置原則指出了工廠模式實現的主要技術手段之一,即使得高層策略模塊在創建類的實例時無需依賴于這些類的具體實現,Liskov替換原則中子類型的可替換性使得使用基類型表示的模塊在無需修改的情況下就可以擴展,增加了工廠模式處理多變對象的靈活性。

工廠模式雖然具有很多優點,但會增加設計的復雜性,如為了創建一個新類,就需要該對象的接口類及具體實現類和創建該對象的工廠類。所以,如果要實例化的對象是穩定的或相對穩定的,這時并不需要使用工廠模式。

使用反射機制可以動態地創建實例,在程序中合理地使用反射可以使程序更加靈活。但是使用反射動態綁定時也需要犧牲性能,所以在程序中也要綜合考慮這些方面的因素來決定是否要用。

[1]Gamma E,Helm R,Johnson R,et al.設計模式:可復用面向對象軟件的基礎[M].北京:機械工業出版社,2000.

[2]甑鐳..NET與設計模式[M].北京:電子工業出版社,2005.

[3]Martin E,Martin M.敏捷軟件開發:原則、模式與實踐(C#版)[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[4]Gamma E,Helm R,Johnson R,et al.Design patterns:element s of reusable object oriented systems[M].Boston:Addison Wesley,1995.

[5]閻宏.Java與模式[M].北京:電子工業出版社,2002.

[6]郭曉峰,姚世軍,尹祖偉.基于.NET的Web應用框架的設計與應用[J].計算機工程與設計,2008,29(2):454-455.

[7]湯國華,葉丹,徐罡.基于設計模式的通用數據庫視圖生成方法[J].計算機輔助工程,2008,17(1):47.

[8]何泓偉,曲朝陽.設計模式混合的構造方法研究及應用[J].計算機工程與設計,2007,28(5):999-1000.

Analysis and Applied Research on Factory Patterns

WU Qing-shou
(Department of Mathematics and Computer Science of Wuyi University,Wuyishan 354300,China)

By the factory patterns,the volatile objects are sealed,negative impacts of changeable customer needs are shield2 ed,and the problem of tightly coupling between customers and concrete objects is resolved.The basic structures of simple factory pattern,factory method and abstract factory pattern in the factory patterns are discussed.In-depth analysison its ap2 plicability to scenes and advantage and weakness is also conducted.T o further reduce customersπreliance on factoryobjects,factory objects are dynamically created based on the.NET reflection mechanism and the configuration file.

design pattern;factory pattern;design principles;reflection;configuration file

TP31115

A

1008-178X(2011)02-0030-04

2011-01-10

吳清壽 (1977-),男,福建莆田人,武夷學院數學與計算機系講師,碩士,從事軟件工程、1NET技術及分布式系統設計研究。