设计模式精讲 Day 3：抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）

【设计模式精讲 Day 3】抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）

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文章简述

在软件开发中，随着业务复杂度的提升，系统需要支持多种产品族的创建。抽象工厂模式正是为了解决这一问题而诞生的设计模式之一。本文作为“设计模式精讲”系列的第3天，深入讲解抽象工厂模式的核心思想、实现方式与实际应用场景。

文章从模式定义出发，通过UML类图和Java代码示例详细解析其结构与工作原理，并结合真实项目案例说明如何在高内聚、低耦合的架构中应用该模式。此外，我们还将对比其与工厂方法模式的区别，帮助读者全面掌握该模式的价值与适用场景。通过本篇文章的学习，开发者将能够灵活运用抽象工厂模式构建可扩展、易维护的系统架构。

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正文内容

开篇：Day 3 —— 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）

在面向对象设计中，抽象工厂模式是一种用于创建一系列相关或依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。它属于创建型模式，是工厂方法模式的进一步抽象和扩展。

本节将围绕抽象工厂模式展开，分析其核心思想、结构组成、使用场景以及在实际项目中的价值。

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一、模式定义：抽象工厂模式的核心思想

1.1 模式定义

抽象工厂模式提供了一个接口，用于创建一组相关或相互依赖的对象，而无需指定它们的具体类。它封装了多个工厂方法，使得客户端可以统一地创建不同产品的家族。

核心思想：将对象的创建逻辑封装到一个工厂接口中，客户端通过调用该接口获取产品，而不是直接实例化具体类。

1.2 核心概念

• 抽象工厂（Abstract Factory）：声明创建一组产品的接口。
• 具体工厂（Concrete Factory）：实现抽象工厂接口，负责创建具体的产品对象。
• 抽象产品（Abstract Product）：定义产品的公共接口。
• 具体产品（Concrete Product）：实现抽象产品的接口，由具体工厂创建。

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二、模式结构：UML类图与关键角色说明

虽然无法插入图片，但以下文字描述了抽象工厂模式的典型结构：

• AbstractFactory 是一个接口，包含多个 createProductX() 方法，用于创建不同类型的产品。
• ConcreteFactoryA 和 ConcreteFactoryB 是两个具体工厂类，分别实现 AbstractFactory 接口，创建不同的产品组合。
• AbstractProductA 和 AbstractProductB 是两个抽象产品接口，定义了产品的公共行为。
• ConcreteProductA1, ConcreteProductA2 是 AbstractProductA 的具体实现。
• ConcreteProductB1, ConcreteProductB2 是 AbstractProductB 的具体实现。

该模式的关键在于：同一工厂创建的一组产品之间具有内在关联性，例如不同操作系统的UI组件（Windows vs Mac）。

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三、适用场景：何时使用抽象工厂模式？

场景	说明
需要创建多个相关产品	当需要创建一组相关或相互依赖的对象时
系统需支持多版本或多平台	如跨平台GUI框架（Windows/Mac/Linux）
降低耦合度	客户端不直接依赖具体产品类，而是依赖抽象接口
统一产品族管理	保证同一工厂创建的产品具有一致性

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四、实现方式：完整的Java代码示例

示例1：抽象工厂模式基础实现

// 抽象产品A
interface ProductA {
    void show();
}

// 具体产品A1
class ProductA1 implements ProductA {
    @Override
    public void show() {
        System.out.println("Product A1");
    }
}

// 具体产品A2
class ProductA2 implements ProductA {
    @Override
    public void show() {
        System.out.println("Product A2");
    }
}

// 抽象产品B
interface ProductB {
    void show();
}

// 具体产品B1
class ProductB1 implements ProductB {
    @Override
    public void show() {
        System.out.println("Product B1");
    }
}

// 具体产品B2
class ProductB2 implements ProductB {
    @Override
    public void show() {
        System.out.println("Product B2");
    }
}

// 抽象工厂
interface AbstractFactory {
    ProductA createProductA();
    ProductB createProductB();
}

// 具体工厂1
class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory {
    @Override
    public ProductA createProductA() {
        return new ProductA1();
    }

    @Override
    public ProductB createProductB() {
        return new ProductB1();
    }
}

// 具体工厂2
class ConcreteFactory2 implements AbstractFactory {
    @Override
    public ProductA createProductA() {
        return new ProductA2();
    }

    @Override
    public ProductB createProductB() {
        return new ProductB2();
    }
}

// 客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用第一个工厂创建产品
        AbstractFactory factory1 = new ConcreteFactory1();
        ProductA a1 = factory1.createProductA();
        ProductB b1 = factory1.createProductB();
        a1.show(); // 输出: Product A1
        b1.show(); // 输出: Product B1

        // 使用第二个工厂创建产品
        AbstractFactory factory2 = new ConcreteFactory2();
        ProductA a2 = factory2.createProductA();
        ProductB b2 = factory2.createProductB();
        a2.show(); // 输出: Product A2
        b2.show(); // 输出: Product B2
    }
}

说明

• AbstractFactory 定义了创建两种产品的接口。
• ConcreteFactory1 和 ConcreteFactory2 分别创建不同的产品组合。
• 客户端通过工厂接口创建产品，避免了对具体类的依赖。

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五、工作原理：抽象工厂如何解决问题？

抽象工厂模式通过将产品创建逻辑集中到工厂类中，实现了以下目标：

• 解耦：客户端不需要知道具体产品类，只需要调用工厂方法即可。
• 一致性：同一工厂创建的产品之间保持一致性和兼容性。
• 可扩展性：新增产品族只需添加新的工厂类，符合开闭原则。

在多平台、多版本系统中，抽象工厂模式可以确保不同平台下产品之间的行为一致性。

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六、优缺点分析

优点	缺点
提高系统的可维护性和可扩展性	增加了系统复杂度
客户端与具体产品类解耦	新增产品族需要修改工厂接口
保证产品族的一致性	不适合创建单个产品对象

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七、案例分析：跨平台GUI库的实现

背景

某公司开发了一款跨平台的GUI工具，支持Windows、Mac和Linux三种操作系统。每种平台都有自己的按钮、文本框等UI组件。

问题

• 每个平台的UI组件差异较大，导致代码重复。
• 客户端代码需要根据平台加载不同组件，耦合严重。

解决方案

使用抽象工厂模式来封装不同平台的UI组件创建逻辑。

实现代码

// 抽象产品：按钮
interface Button {
    void render();
}

// 抽象产品：文本框
interface TextField {
    void render();
}

// Windows平台产品
class WindowsButton implements Button {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Render Windows Button");
    }
}

class WindowsTextField implements TextField {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Render Windows Text Field");
    }
}

// Mac平台产品
class MacButton implements Button {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Render Mac Button");
    }
}

class MacTextField implements TextField {
    @Override
    public void render() {
        System.out.println("Render Mac Text Field");
    }
}

// 抽象工厂
interface GUIFactory {
    Button createButton();
    TextField createTextField();
}

// Windows工厂
class WindowsFactory implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() {
        return new WindowsButton();
    }

    @Override
    public TextField createTextField() {
        return new WindowsTextField();
    }
}

// Mac工厂
class MacFactory implements GUIFactory {
    @Override
    public Button createButton() {
        return new MacButton();
    }

    @Override
    public TextField createTextField() {
        return new MacTextField();
    }
}

// 客户端
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 根据平台选择工厂
        GUIFactory factory;

        if (System.getProperty("os.name").contains("Windows")) {
            factory = new WindowsFactory();
        } else {
            factory = new MacFactory();
        }

        Button button = factory.createButton();
        TextField textField = factory.createTextField();

        button.render(); // 根据平台输出不同结果
        textField.render();
    }
}

效果

• 客户端代码不再关心具体平台，只通过工厂接口创建组件。
• 扩展新平台只需添加新工厂类，符合开闭原则。

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八、与其他模式的关系

模式	关系	说明
工厂方法	父类	抽象工厂是对工厂方法的封装和扩展
单例模式	可配合使用	工厂类可以是单例，保证全局唯一
建造者模式	可替代部分功能	建造者关注对象构建过程，抽象工厂关注对象集合
原型模式	互补	可结合使用，如工厂创建原型对象并克隆

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九、总结：本日学习要点回顾

今天，我们深入学习了抽象工厂模式，包括其核心思想、结构组成、适用场景、实现方式以及在实际项目中的应用。通过代码示例和案例分析，我们理解了如何利用该模式提高系统的可维护性、可扩展性与一致性。

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下一篇预告

明天我们将进入“设计模式精讲”系列的第4天，主题是《建造者模式（Builder Pattern）》。我们将探讨如何通过逐步构建复杂对象，提升代码的灵活性与可读性。敬请期待！

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文章标签

design-patterns, java, abstract-factory, software-design, object-oriented-programming

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进一步学习资料

1. Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software - Erich Gamma et al.
2. Java Design Patterns - A Hands-On Guide with Examples
3. Java Design Patterns - Oracle Documentation
4. Abstract Factory Pattern in Java - GeeksforGeeks
5. Java Design Patterns - TutorialsPoint

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核心技能总结

通过本篇文章，你将掌握以下核心设计思想：

• 抽象工厂模式的核心理念是封装对象创建逻辑，统一产品族的生成。
• 学会如何在实际项目中应用该模式，解决多平台、多版本、产品族一致性的问题。
• 理解该模式与工厂方法、建造者等其他设计模式的关系与区别。
• 掌握如何编写高内聚、低耦合的Java代码，提升系统的可维护性与可扩展性。

这些技能可以直接应用于你的日常开发工作中，帮助你在面对复杂系统设计时更加从容与高效。