抽象工厂是一种创建型设计模式,它能创建一系列相关的对象, 而无需指定其具体类。
抽象工厂定义了用于创建不同产品的接口,但将实际的创建工作留给了具体工厂类。每个工厂类型都对应一个特定的产品变体。
在创建产品时,客户端代码调用的是工厂对象的构建方法,而不是直接调用构造函数(new 操作符)。由于一个工厂对应一种产品变体,因此它创建的所有产品都可相互兼容。
客户端代码仅通过其抽象接口与工厂和产品进行交互。该接口允许同一客户端代码与不同产品进行交互。你只需创建一个具体工厂类并将其传递给客户端代码即可。
抽象工厂亦称: Abstract Factory。
假设你正在开发一款家具商店模拟器。 你的代码中包括一些类, 用于表示:
一系列相关产品, 例如 椅子
Chair 、 沙发
Sofa和 咖啡桌
CoffeeTable 。
系列产品的不同变体。 例如, 你可以使用 现代
Modern 、 维多利亚
Victorian 、 装饰风艺术
ArtDeco等风格生成 椅子
、 沙发
和 咖啡桌
。
你需要设法单独生成每件家具对象, 这样才能确保其风格一致。 如果顾客收到的家具风格不一样, 他们可不会开心。
此外, 你也不希望在添加新产品或新风格时修改已有代码。 家具供应商对于产品目录的更新非常频繁, 你不会想在每次更新时都去修改核心代码的。
首先, 抽象工厂模式建议为系列中的每件产品明确声明接口 (例如椅子、 沙发或咖啡桌)。 然后, 确保所有产品变体都继承这些接口。 例如, 所有风格的椅子都实现 椅子
接口; 所有风格的咖啡桌都实现 咖啡桌
接口, 以此类推。
接下来, 我们需要声明抽象工厂——包含系列中所有产品构造方法的接口。 例如 createChair
创建椅子 、 createSofa
创建沙发和 createCoffeeTable
创建咖啡桌 。 这些方法必须返回抽象产品类型, 即我们之前抽取的那些接口: 椅子
, 沙发
和 咖啡桌
等等。
那么该如何处理产品变体呢? 对于系列产品的每个变体, 我们都将基于 抽象工厂
接口创建不同的工厂类。 每个工厂类都只能返回特定类别的产品, 例如, 现代家具工厂
ModernFurnitureFactory只能创建 现代椅子
ModernChair 、 现代沙发
ModernSofa和 现代咖啡桌
ModernCoffeeTable对象。
客户端代码可以通过相应的抽象接口调用工厂和产品类。 你无需修改实际客户端代码, 就能更改传递给客户端的工厂类, 也能更改客户端代码接收的产品变体。
假设客户端想要工厂创建一把椅子。 客户端无需了解工厂类, 也不用管工厂类创建出的椅子类型。 无论是现代风格, 还是维多利亚风格的椅子, 对于客户端来说没有分别, 它只需调用抽象 椅子
接口就可以了。 这样一来, 客户端只需知道椅子以某种方式实现了 sitOn
坐下方法就足够了。 此外, 无论工厂返回的是何种椅子变体, 它都会和由同一工厂对象创建的沙发或咖啡桌风格一致。
最后一点说明: 如果客户端仅接触抽象接口, 那么谁来创建实际的工厂对象呢? 一般情况下, 应用程序会在初始化阶段创建具体工厂对象。 而在此之前, 应用程序必须根据配置文件或环境设定选择工厂类别。
1:抽象产品 (Abstract Product) 为构成系列产品的一组不同但相关的产品声明接口。
2:具体产品 (Concrete Product) 是抽象产品的多种不同类型实现。 所有变体 (维多利亚/现代) 都必须实现相应的抽象产品 (椅子/沙发)。
3:抽象工厂 (Abstract Factory) 接口声明了一组创建各种抽象产品的方法。
4:具体工厂 (Concrete Factory) 实现抽象工厂的构建方法。 每个具体工厂都对应特定产品变体, 且仅创建此种产品变体。
5:尽管具体工厂会对具体产品进行初始化, 其构建方法签名必须返回相应的抽象产品。 这样, 使用工厂类的客户端代码就不会与工厂创建的特定产品变体耦合。 客户端 (Client) 只需通过抽象接口调用工厂和产品对象, 就能与任何具体工厂/产品变体交互。
抽象工厂模式在 Python 代码中很常见。许多框架和程序库会将它作为扩展和自定义其标准组件的一种方式。
我们可以通过方法来识别该模式——其会返回一个工厂对象。接下来,工厂将被用于创建特定的子组件。
本例说明了抽象工厂设计模式的结构并重点回答了下面的问题:它由哪些类组成?这些类扮演了哪些角色?模式中的各个元素会以何种方式相互关联?
from __future__ import annotations from abc import ABC, abstractmethod class AbstractFactory(ABC): """ The Abstract Factory interface declares a set of methods that return different abstract products. These products are called a family and are related by a high-level theme or concept. Products of one family are usually able to collaborate among themselves. A family of products may have several variants, but the products of one variant are incompatible with products of another. """ @abstractmethod def create_product_a(self) -> AbstractProductA: pass @abstractmethod def create_product_b(self) -> AbstractProductB: pass class ConcreteFactory1(AbstractFactory): """ Concrete Factories produce a family of products that belong to a single variant. The factory guarantees that resulting products are compatible. Note that signatures of the Concrete Factory's methods return an abstract product, while inside the method a concrete product is instantiated. """ def create_product_a(self) -> ConcreteProductA1: return ConcreteProductA1() def create_product_b(self) -> ConcreteProductB1: return ConcreteProductB1() class ConcreteFactory2(AbstractFactory): """ Each Concrete Factory has a corresponding product variant. """ def create_product_a(self) -> ConcreteProductA2: return ConcreteProductA2() def create_product_b(self) -> ConcreteProductB2: return ConcreteProductB2() class AbstractProductA(ABC): """ Each distinct product of a product family should have a base interface. All variants of the product must implement this interface. """ @abstractmethod def useful_function_a(self) -> str: pass """ Concrete Products are created by corresponding Concrete Factories. """ class ConcreteProductA1(AbstractProductA): def useful_function_a(self) -> str: return "The result of the product A1." class ConcreteProductA2(AbstractProductA): def useful_function_a(self) -> str: return "The result of the product A2." class AbstractProductB(ABC): """ Here's the the base interface of another product. All products can interact with each other, but proper interaction is possible only between products of the same concrete variant. """ @abstractmethod def useful_function_b(self) -> None: """ Product B is able to do its own thing... """ pass @abstractmethod def another_useful_function_b(self, collaborator: AbstractProductA) -> None: """ ...but it also can collaborate with the ProductA. The Abstract Factory makes sure that all products it creates are of the same variant and thus, compatible. """ pass """ Concrete Products are created by corresponding Concrete Factories. """ class ConcreteProductB1(AbstractProductB): def useful_function_b(self) -> str: return "The result of the product B1." """ The variant, Product B1, is only able to work correctly with the variant, Product A1. Nevertheless, it accepts any instance of AbstractProductA as an argument. """ def another_useful_function_b(self, collaborator: AbstractProductA) -> str: result = collaborator.useful_function_a() return f"The result of the B1 collaborating with the ({result})" class ConcreteProductB2(AbstractProductB): def useful_function_b(self) -> str: return "The result of the product B2." def another_useful_function_b(self, collaborator: AbstractProductA): """ The variant, Product B2, is only able to work correctly with the variant, Product A2. Nevertheless, it accepts any instance of AbstractProductA as an argument. """ result = collaborator.useful_function_a() return f"The result of the B2 collaborating with the ({result})" def client_code(factory: AbstractFactory) -> None: """ The client code works with factories and products only through abstract types: AbstractFactory and AbstractProduct. This lets you pass any factory or product subclass to the client code without breaking it. """ product_a = factory.create_product_a() product_b = factory.create_product_b() print(f"{product_b.useful_function_b()}") print(f"{product_b.another_useful_function_b(product_a)}", end="") if __name__ == "__main__": """ The client code can work with any concrete factory class. """ print("Client: Testing client code with the first factory type:") client_code(ConcreteFactory1()) print("\n") print("Client: Testing the same client code with the second factory type:") client_code(ConcreteFactory2())
执行结果
Client: Testing client code with the first factory type: The result of the product B1. The result of the B1 collaborating with the (The result of the product A1.) Client: Testing the same client code with the second factory type: The result of the product B2. The result of the B2 collaborating with the (The result of the product A2.)
下面例子通过应用抽象工厂模式, 使得客户端代码无需与具体 UI 类耦合, 就能创建跨平台的 UI 元素, 同时确保所创建的元素与指定的操作系统匹配。
跨平台应用中的相同 UI 元素功能类似, 但是在不同操作系统下的外观有一定差异。 此外, 你需要确保 UI 元素与当前操作系统风格一致。 你一定不希望在 Windows 系统下运行的应用程序中显示 macOS 的控件。
抽象工厂接口声明一系列构建方法, 客户端代码可调用它们生成不同风格的 UI 元素。 每个具体工厂对应特定操作系统, 并负责生成符合该操作系统风格的 UI 元素。
其运作方式如下: 应用程序启动后检测当前操作系统。 根据该信息, 应用程序通过与该操作系统对应的类创建工厂对象。 其余代码使用该工厂对象创建 UI 元素。 这样可以避免生成错误类型的元素。
使用这种方法, 客户端代码只需调用抽象接口, 而无需了解具体工厂类和 UI 元素。 此外, 客户端代码还支持未来添加新的工厂或 UI 元素。
这样一来, 每次在应用程序中添加新的 UI 元素变体时, 你都无需修改客户端代码。 你只需创建一个能够生成这些 UI 元素的工厂类, 然后稍微修改应用程序的初始代码, 使其能够选择合适的工厂类即可。
// 抽象工厂接口声明了一组能返回不同抽象产品的方法。这些产品属于同一个系列 // 且在高层主题或概念上具有相关性。同系列的产品通常能相互搭配使用。系列产 // 品可有多个变体,但不同变体的产品不能搭配使用。 interface GUIFactory is method createButton():Button method createCheckbox():Checkbox // 具体工厂可生成属于同一变体的系列产品。工厂会确保其创建的产品能相互搭配 // 使用。具体工厂方法签名会返回一个抽象产品,但在方法内部则会对具体产品进 // 行实例化。 class WinFactory implements GUIFactory is method createButton():Button is return new WinButton() method createCheckbox():Checkbox is return new WinCheckbox() // 每个具体工厂中都会包含一个相应的产品变体。 class MacFactory implements GUIFactory is method createButton():Button is return new MacButton() method createCheckbox():Checkbox is return new MacCheckbox() // 系列产品中的特定产品必须有一个基础接口。所有产品变体都必须实现这个接口。 interface Button is method paint() // 具体产品由相应的具体工厂创建。 class WinButton implements Button is method paint() is // 根据 Windows 样式渲染按钮。 class MacButton implements Button is method paint() is // 根据 macOS 样式渲染按钮 // 这是另一个产品的基础接口。所有产品都可以互动,但是只有相同具体变体的产 // 品之间才能够正确地进行交互。 interface Checkbox is method paint() class WinCheckbox implements Checkbox is method paint() is // 根据 macOS 样式渲染复选框。 class MacCheckbox implements Checkbox is method paint() is // 根据 macOS 样式渲染复选框。 // 客户端代码仅通过抽象类型(GUIFactory、Button 和 Checkbox)使用工厂 // 和产品。这让你无需修改任何工厂或产品子类就能将其传递给客户端代码。 class Application is private field factory: GUIFactory private field button: Button constructor Application(factory: GUIFactory) is this.factory = factory method createUI() is this.button = factory.createButton() method paint() is button.paint() // 程序会根据当前配置或环境设定选择工厂类型,并在运行时创建工厂(通常在初 // 始化阶段)。 class ApplicationConfigurator is method main() is config = readApplicationConfigFile() if (config.OS == "Windows") then factory = new WinFactory() else if (config.OS == "Mac") then factory = new MacFactory() else throw new Exception("错误!未知的操作系统。") Application app = new Application(factory)
如果代码需要与多个不同系列的相关产品交互, 但是由于无法提前获取相关信息, 或者出于对未来扩展性的考虑, 你不希望代码基于产品的具体类进行构建, 在这种情况下, 你可以使用抽象工厂。
抽象工厂为你提供了一个接口, 可用于创建每个系列产品的对象。 只要代码通过该接口创建对象, 那么你就不会生成与应用程序已生成的产品类型不一致的产品。
如果你有一个基于一组抽象方法的类, 且其主要功能因此变得不明确, 那么在这种情况下可以考虑使用抽象工厂模式。
在设计良好的程序中, 每个类仅负责一件事。 如果一个类与多种类型产品交互, 就可以考虑将工厂方法抽取到独立的工厂类或具备完整功能的抽象工厂类中。
以不同的产品类型与产品变体为维度绘制矩阵。
为所有产品声明抽象产品接口。 然后让所有具体产品类实现这些接口。
声明抽象工厂接口, 并且在接口中为所有抽象产品提供一组构建方法。
为每种产品变体实现一个具体工厂类。
在应用程序中开发初始化代码。 该代码根据应用程序配置或当前环境, 对特定具体工厂类进行初始化。 然后将该工厂对象传递给所有需要创建产品的类。
找出代码中所有对产品构造函数的直接调用, 将其替换为对工厂对象中相应构建方法的调用。