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设计模式系列（06）：抽象工厂模式（Abstract Factory）

ds 2025/8/27 8:28:53

本文为设计模式系列第6篇，聚焦创建型模式中的抽象工厂模式，涵盖定义、原理、实际业务场景、优缺点、最佳实践及详细代码示例，适合系统学习与实战应用。

1. 模式概述

抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）是一种创建型设计模式。它为创建一组相关或相互依赖的对象提供一个接口，而无需指定它们的具体类。抽象工厂模式是工厂方法模式的扩展，适合产品族的统一创建和兼容性保障。

1.1 定义

为创建一系列相关或相互依赖对象提供一个接口，而无需指定它们的具体类。

1.2 目的

创建产品族，保证产品间兼容性
封装产品创建细节，简化客户端
支持系统扩展和平台切换

2. 使用场景

抽象工厂模式在实际开发中应用广泛，常见场景包括：

跨平台UI框架：如Windows、Mac、Linux等不同风格控件的统一创建。
数据库访问层：如支持多种数据库（MySQL、Oracle、SQL Server），统一数据访问接口。
游戏开发：如不同场景、角色、道具的批量创建，保证风格一致。
产品系列扩展：如不同品牌、不同版本的产品族扩展。

真实业务背景举例：

跨平台桌面应用需根据操作系统切换UI风格，抽象工厂统一创建控件，保证界面一致性。
企业级系统需支持多种数据库，抽象工厂屏蔽底层差异，便于切换和维护。
游戏引擎根据不同主题批量生成角色、道具，保证风格统一。

3. 优缺点分析

3.1 优点

产品兼容性：保证同一工厂生产的产品风格一致，避免不兼容。
封装性：隐藏产品创建细节，客户端只依赖抽象接口。
扩展性：易于新增产品族，符合开闭原则。

3.2 缺点

类数量增加：每个产品族和产品类型都需新增类，结构复杂。
扩展单一产品困难：新增产品类型需修改工厂接口，违反开闭原则。
适用范围有限：只适用于产品族创建，不适合单一产品扩展。

4. 实际应用案例

UI框架：Windows、Mac、Linux等风格控件的统一创建。
数据库访问：多数据库支持，统一数据访问接口。
游戏开发：不同主题下的角色、道具、场景批量生成。
品牌产品线：如家电、汽车等不同品牌/系列的产品族。

5. 结构与UML类图

@startuml
package "Abstract Factory Pattern" #DDDDDD {interface Button {+ render(): void}interface TextBox {+ render(): void}class WindowsButton implements Buttonclass WindowsTextBox implements TextBoxclass MacButton implements Buttonclass MacTextBox implements TextBoxinterface UIFactory {+ createButton(): Button+ createTextBox(): TextBox}class WindowsUIFactory implements UIFactoryclass MacUIFactory implements UIFactoryclass ClientUIFactory <|.. WindowsUIFactoryUIFactory <|.. MacUIFactoryButton <|.. WindowsButtonButton <|.. MacButtonTextBox <|.. WindowsTextBoxTextBox <|.. MacTextBoxWindowsUIFactory --> WindowsButton : createButton()WindowsUIFactory --> WindowsTextBox : createTextBox()MacUIFactory --> MacButton : createButton()MacUIFactory --> MacTextBox : createTextBox()Client ..> UIFactory : uses
}
@enduml

6. 代码示例

6.1 基本结构示例

业务背景： 跨平台UI库需支持不同操作系统风格的控件统一创建。

// 抽象产品：按钮和文本框
public interface Button {void render();
}
public interface TextBox {void render();
}// Windows风格产品
public class WindowsButton implements Button {@Overridepublic void render() {System.out.println("[Windows] 渲染按钮");}
}
public class WindowsTextBox implements TextBox {@Overridepublic void render() {System.out.println("[Windows] 渲染文本框");}
}
// Mac风格产品
public class MacButton implements Button {@Overridepublic void render() {System.out.println("[Mac] 渲染按钮");}
}
public class MacTextBox implements TextBox {@Overridepublic void render() {System.out.println("[Mac] 渲染文本框");}
}
// 抽象工厂接口
public interface UIFactory {Button createButton();TextBox createTextBox();
}
// Windows工厂
public class WindowsUIFactory implements UIFactory {public Button createButton() { return new WindowsButton(); }public TextBox createTextBox() { return new WindowsTextBox(); }
}
// Mac工厂
public class MacUIFactory implements UIFactory {public Button createButton() { return new MacButton(); }public TextBox createTextBox() { return new MacTextBox(); }
}
// 客户端示例
public class Client {public static void main(String[] args) {UIFactory factory = new WindowsUIFactory();Button button = factory.createButton();TextBox textBox = factory.createTextBox();button.render();textBox.render();// 切换风格只需更换工厂factory = new MacUIFactory();button = factory.createButton();textBox = factory.createTextBox();button.render();textBox.render();}// 总结：通过抽象工厂，客户端无需关心具体产品实现，便于扩展和维护。
}

6.2 实际业务场景：数据库访问工厂

业务背景： 企业系统需支持多种数据库，抽象工厂统一创建数据访问对象，屏蔽底层差异。

// 抽象产品：数据库连接和命令
public interface DBConnection {void connect();
}
public interface DBCommand {void execute(String sql);
}
// MySQL产品
public class MySQLConnection implements DBConnection {public void connect() { System.out.println("[MySQL] 连接数据库"); }
}
public class MySQLCommand implements DBCommand {public void execute(String sql) { System.out.println("[MySQL] 执行SQL: " + sql); }
}
// Oracle产品
public class OracleConnection implements DBConnection {public void connect() { System.out.println("[Oracle] 连接数据库"); }
}
public class OracleCommand implements DBCommand {public void execute(String sql) { System.out.println("[Oracle] 执行SQL: " + sql); }
}
// 抽象工厂
public interface DBFactory {DBConnection createConnection();DBCommand createCommand();
}
// MySQL工厂
public class MySQLFactory implements DBFactory {public DBConnection createConnection() { return new MySQLConnection(); }public DBCommand createCommand() { return new MySQLCommand(); }
}
// Oracle工厂
public class OracleFactory implements DBFactory {public DBConnection createConnection() { return new OracleConnection(); }public DBCommand createCommand() { return new OracleCommand(); }
}
// 客户端示例
public class DBClient {public static void main(String[] args) {DBFactory factory = new MySQLFactory();DBConnection conn = factory.createConnection();DBCommand cmd = factory.createCommand();conn.connect();cmd.execute("SELECT * FROM user");// 切换数据库只需更换工厂factory = new OracleFactory();conn = factory.createConnection();cmd = factory.createCommand();conn.connect();cmd.execute("SELECT * FROM user");}
}

7. 测试用例

业务背景： 验证UI工厂和数据库工厂的多实现切换与功能正确性。

public class AbstractFactoryPatternTest {@Testpublic void testWindowsUI() {UIFactory factory = new WindowsUIFactory();Button button = factory.createButton();assertTrue(button instanceof WindowsButton);TextBox textBox = factory.createTextBox();assertTrue(textBox instanceof WindowsTextBox);}@Testpublic void testMacUI() {UIFactory factory = new MacUIFactory();Button button = factory.createButton();assertTrue(button instanceof MacButton);TextBox textBox = factory.createTextBox();assertTrue(textBox instanceof MacTextBox);}@Testpublic void testDBFactory() {DBFactory factory = new MySQLFactory();DBConnection conn = factory.createConnection();DBCommand cmd = factory.createCommand();assertTrue(conn instanceof MySQLConnection);assertTrue(cmd instanceof MySQLCommand);factory = new OracleFactory();conn = factory.createConnection();cmd = factory.createCommand();assertTrue(conn instanceof OracleConnection);assertTrue(cmd instanceof OracleCommand);}
}