零基礎設計模式——創建型模式

第二部分：創建型模式 - 抽象工廠模式 (Abstract Factory Pattern)

我們已經學習了單例模式（保證唯一實例）和工廠方法模式（延遲創建到子類）。現在，我們來探討創建型模式中更為復雜和強大的一個——抽象工廠模式。它處理的是創建“產品族”的問題。

核心思想：提供一個接口，用于創建一系列相關或相互依賴的對象，而無需指定它們具體的類。

抽象工廠模式 (Abstract Factory Pattern)

“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。”

想象一下，你要裝修房子，可以選擇不同的裝修風格，比如“現代風格”、“中式風格”或“歐式風格”。

每種風格都包含一系列配套的家具：沙發、茶幾、電視柜等。
“現代風格”的家具（現代沙發、現代茶幾）是一套，它們之間風格統一。
“中式風格”的家具（紅木沙發、雕花茶幾）是另一套，它們也風格統一。

你不會用一個現代風格的沙發去搭配一個中式雕花的茶幾，這樣會顯得不倫不類。抽象工廠模式就是用來確保你得到的是一整套風格協調的產品。

1. 目的 (Intent)

抽象工廠模式的主要目的：

創建產品族：核心在于創建一系列相關的或相互依賴的對象（稱為一個“產品族”）。例如，一個UI工具包工廠可能創建按鈕、文本框、滾動條等一系列UI組件，這些組件需要有統一的外觀和行為（如Windows風格或macOS風格）。
客戶端與具體類解耦：客戶端代碼只與抽象的工廠接口和抽象的產品接口打交道，而不需要知道具體是哪個工廠的實現，也不需要知道具體的產品類名。
保證產品兼容性：由同一個具體工廠創建出來的產品，一定是相互兼容、可以協同工作的。

2. 生活中的例子 (Real-world Analogy)

電腦組裝：
- 抽象工廠 (AbstractFactory)：ComputerPartsFactory (定義了創建CPU、主板、內存等組件的接口)。
- 具體工廠 (ConcreteFactory)：IntelCompatibleFactory (生產Intel CPU、兼容主板、特定內存條)，AMDCompatibleFactory (生產AMD CPU、兼容主板、另一特定內存條)。
- 抽象產品 (AbstractProduct)：CPU, Motherboard, RAM (這些是組件的抽象接口)。
- 具體產品 (ConcreteProduct)：IntelCPU, AMDRyzenCPU, AsusMotherboard, GigabyteMotherboard, KingstonRAM, CorsairRAM。
  當你選擇 IntelCompatibleFactory 時，你會得到一套相互兼容的Intel平臺組件。你不會得到一個Intel的CPU卻配一個只支持AMD的主板。
換膚功能 (Skinnable UI)：
- 抽象工廠：UIThemeFactory (定義 createButton(), createCheckbox(), createWindow() 等方法)。
- 具體工廠：WindowsThemeFactory (創建Windows風格的按鈕、復選框、窗口)，MacThemeFactory (創建Mac風格的按鈕、復選框、窗口)，DarkThemeFactory (創建暗黑主題的組件)。
- 抽象產品：Button, Checkbox, Window (UI組件的接口)。
- 具體產品：WindowsButton, MacButton, DarkButton 等。
  用戶選擇一個主題（比如“暗黑主題”），應用就會使用 DarkThemeFactory 來創建所有UI元素，確保界面風格統一。

3. 結構 (Structure)

抽象工廠模式通常包含以下角色：

AbstractFactory (抽象工廠)：聲明一個創建抽象產品對象的操作接口集合。通常每個抽象產品對應一個創建方法。
ConcreteFactory (具體工廠)：實現 AbstractFactory 接口，負責創建具體產品族中的產品對象。系統可以有多個具體工廠，每個具體工廠創建一個具體的產品族。
AbstractProduct (抽象產品)：為一類產品對象聲明一個接口。系統中可以有多個不同的抽象產品，構成產品族。
ConcreteProduct (具體產品)：定義一個將被相應的具體工廠創建的產品對象。它實現了 AbstractProduct 接口。
Client (客戶端)：僅使用 AbstractFactory 和 AbstractProduct 接口。客戶端不關心具體是哪個工廠、哪個產品，它只知道它需要一個工廠來創建它需要的產品。

4. 適用場景 (When to Use)

一個系統要獨立于它的產品的創建、組合和表示時。即，你希望客戶端代碼與具體產品的創建過程分離。
一個系統要由多個產品系列中的一個來配置時。例如，系統需要支持多種“外觀感覺”（Look and Feel）。
當你要強調一系列相關的產品對象的設計以便進行聯合使用時。
當你提供一個產品類庫，而只想顯示它們的接口而不是實現時。

簡單來說：

需要創建的產品對象有復雜的關聯關系（屬于同一個產品族）。
系統需要支持不同系列（族）的產品，并且可以在運行時切換。

5. 優缺點 (Pros and Cons)

優點：

分離接口和實現：客戶端使用抽象接口，與具體的產品實現解耦。
易于交換產品系列：改變具體工廠即可改變整個產品系列，客戶端代碼無需修改。
有利于產品的一致性：當一個系列的產品對象被設計成一起工作時，抽象工廠模式能夠保證客戶端始終只使用同一個產品系列中的對象。

缺點：

難以擴展新的產品種類 (Product Kind)：如果要在產品族中增加一個新的產品種類（例如，在UI主題工廠中增加創建 ScrollBar 的方法），那么所有的抽象工廠接口和具體工廠實現都需要修改，這違反了開閉原則。對于這種情況，工廠方法模式可能更合適（每個產品種類一個工廠方法）。
類的數量會顯著增加：每增加一個產品族，就需要增加一套對應的具體產品類和具體工廠類。

6. 實現方式 (Implementations)

讓我們通過一個跨平臺UI組件的例子來看看抽象工廠模式的實現。假設我們需要為Windows和macOS創建風格一致的按鈕和文本框。

抽象產品 (Button, TextBox)

// ui_elements.go
package ui// Button 按鈕接口 (抽象產品A)
type Button interface {Render()OnClick()
}// TextBox 文本框接口 (抽象產品B)
type TextBox interface {Render()SetText(text string)GetText() string
}

// Button.java
package com.example.ui;// 按鈕接口 (抽象產品A)
public interface Button {void render();void onClick();
}// TextBox.java
package com.example.ui;// 文本框接口 (抽象產品B)
public interface TextBox {void render();void setText(String text);String getText();
}

具體產品 (WindowsButton, WindowsTextBox, MacButton, MacTextBox)

// windows_elements.go
package uiimport "fmt"// WindowsButton Windows風格按鈕 (具體產品A1)
type WindowsButton struct{}func (b *WindowsButton) Render()  { fmt.Println("Rendering a Windows style button.") }
func (b *WindowsButton) OnClick() { fmt.Println("Windows button clicked.") }// WindowsTextBox Windows風格文本框 (具體產品B1)
type WindowsTextBox struct{ text string }func (tb *WindowsTextBox) Render()        { fmt.Println("Rendering a Windows style text box.") }
func (tb *WindowsTextBox) SetText(text string) { tb.text = text }
func (tb *WindowsTextBox) GetText() string   { return tb.text }// mac_elements.go
package uiimport "fmt"// MacButton Mac風格按鈕 (具體產品A2)
type MacButton struct{}func (b *MacButton) Render()  { fmt.Println("Rendering a macOS style button.") }
func (b *MacButton) OnClick() { fmt.Println("macOS button clicked.") }// MacTextBox Mac風格文本框 (具體產品B2)
type MacTextBox struct{ text string }func (tb *MacTextBox) Render()        { fmt.Println("Rendering a macOS style text box.") }
func (tb *MacTextBox) SetText(text string) { tb.text = text }
func (tb *MacTextBox) GetText() string   { return tb.text }

// WindowsButton.java
package com.example.ui.windows;import com.example.ui.Button;
import java.awt.FlowLayout;
import javax.swing.JButton;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JOptionPane;// Windows風格按鈕 (具體產品A1)
public class WindowsButton implements Button {@Overridepublic void render() {System.out.println("Rendering a Windows style button.");// 實際場景中可能會使用Swing/JavaFX等創建真實UI// JFrame frame = new JFrame("Windows Button");// JButton button = new JButton("Win Button");// button.addActionListener(e -> onClick());// frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);// frame.setLayout(new FlowLayout());// frame.add(button);// frame.setSize(200, 100);// frame.setVisible(true);}@Overridepublic void onClick() {System.out.println("Windows button clicked.");// JOptionPane.showMessageDialog(null, "Windows Button Clicked!");}
}// WindowsTextBox.java
package com.example.ui.windows;import com.example.ui.TextBox;// Windows風格文本框 (具體產品B1)
public class WindowsTextBox implements TextBox {private String text = "";@Overridepublic void render() {System.out.println("Rendering a Windows style text box: [" + text + "]");}@Overridepublic void setText(String text) { this.text = text; }@Overridepublic String getText() { return this.text; }
}// MacButton.java
package com.example.ui.mac;import com.example.ui.Button;// Mac風格按鈕 (具體產品A2)
public class MacButton implements Button {@Overridepublic void render() {System.out.println("Rendering a macOS style button.");}@Overridepublic void onClick() {System.out.println("macOS button clicked.");}
}// MacTextBox.java
package com.example.ui.mac;import com.example.ui.TextBox;// Mac風格文本框 (具體產品B2)
public class MacTextBox implements TextBox {private String text = "";@Overridepublic void render() {System.out.println("Rendering a macOS style text box: (" + text + ")");}@Overridepublic void setText(String text) { this.text = text; }@Overridepublic String getText() { return this.text; }
}

抽象工廠 (GUIFactory)

// gui_factory.go
package ui// GUIFactory 抽象UI工廠 (抽象工廠)
type GUIFactory interface {CreateButton() ButtonCreateTextBox() TextBox
}

// GUIFactory.java
package com.example.ui;// 抽象UI工廠 (抽象工廠)
public interface GUIFactory {Button createButton();TextBox createTextBox();
}

具體工廠 (WindowsFactory, MacFactory)

// windows_factory.go
package ui// WindowsFactory Windows UI工廠 (具體工廠1)
type WindowsFactory struct{}func (wf *WindowsFactory) CreateButton() Button {return &WindowsButton{}
}
func (wf *WindowsFactory) CreateTextBox() TextBox {return &WindowsTextBox{}
}// mac_factory.go
package ui// MacFactory Mac UI工廠 (具體工廠2)
type MacFactory struct{}func (mf *MacFactory) CreateButton() Button {return &MacButton{}
}
func (mf *MacFactory) CreateTextBox() TextBox {return &MacTextBox{}
}

// WindowsFactory.java
package com.example.ui.windows;import com.example.ui.Button;
import com.example.ui.GUIFactory;
import com.example.ui.TextBox;// Windows UI工廠 (具體工廠1)
public class WindowsFactory implements GUIFactory {@Overridepublic Button createButton() {System.out.println("WindowsFactory: Creating WindowsButton");return new WindowsButton();}@Overridepublic TextBox createTextBox() {System.out.println("WindowsFactory: Creating WindowsTextBox");return new WindowsTextBox();}
}// MacFactory.java
package com.example.ui.mac;import com.example.ui.Button;
import com.example.ui.GUIFactory;
import com.example.ui.TextBox;// Mac UI工廠 (具體工廠2)
public class MacFactory implements GUIFactory {@Overridepublic Button createButton() {System.out.println("MacFactory: Creating MacButton");return new MacButton();}@Overridepublic TextBox createTextBox() {System.out.println("MacFactory: Creating MacTextBox");return new MacTextBox();}
}

客戶端使用 (Application)

// main.go (示例用法)
/*
package mainimport ("fmt""./ui" // 假設 ui 包在當前目錄下"runtime"
)// Application 客戶端，它不知道具體的工廠和產品類
type Application struct {factory GUIFactorybutton  ButtontextBox TextBox
}func NewApplication(factory ui.GUIFactory) *Application {app := &Application{factory: factory}app.button = factory.CreateButton()app.textBox = factory.CreateTextBox()return app
}func (app *Application) Run() {app.button.Render()app.button.OnClick()app.textBox.SetText("Hello Abstract Factory!")app.textBox.Render()fmt.Println("Text from box:", app.textBox.GetText())
}func main() {var factory ui.GUIFactory// 根據操作系統選擇不同的工廠os := runtime.GOOSfmt.Println("Operating System:", os)if os == "windows" {factory = &ui.WindowsFactory{}} else if os == "darwin" { // darwin is macOSfactory = &ui.MacFactory{}} else {fmt.Println("Unsupported OS, defaulting to Windows style.")factory = &ui.WindowsFactory{} // 默認或提供一個通用工廠}app := NewApplication(factory)app.Run()
}
*/

// Application.java (客戶端)
package com.example;import com.example.ui.Button;
import com.example.ui.GUIFactory;
import com.example.ui.TextBox;
import com.example.ui.mac.MacFactory;
import com.example.ui.windows.WindowsFactory;public class Application {private Button button;private TextBox textBox;public Application(GUIFactory factory) {System.out.println("Client: Configuring application with a UI factory.");button = factory.createButton();textBox = factory.createTextBox();}public void run() {System.out.println("\nClient: Running the application UI...");button.render();button.onClick();textBox.setText("Hello Abstract Factory!");textBox.render();System.out.println("Text from box: " + textBox.getText() + "\n");}// Main.java (示例用法)/*public static void main(String[] args) {GUIFactory factory;Application app;String osName = System.getProperty("os.name").toLowerCase();System.out.println("Operating System: " + osName);if (osName.contains("win")) {factory = new WindowsFactory();} else if (osName.contains("mac")) {factory = new MacFactory();} else {System.out.println("Unsupported OS, defaulting to Windows style.");factory = new WindowsFactory(); // Default factory}app = new Application(factory);app.run();// 假設我們現在想切換到Mac主題 (如果當前不是Mac)if (!osName.contains("mac")) {System.out.println("\n--- Switching to Mac Theme for demonstration ---");factory = new MacFactory();app = new Application(factory);app.run();}}*/
}

7. 與工廠方法模式的區別

抽象工廠模式和工廠方法模式是初學者容易混淆的兩個模式。

工廠方法模式 (Factory Method)：
- 關注點：創建單個產品對象。
- 結構：一個抽象工廠接口（通常只有一個創建方法 factoryMethod()），多個具體工廠實現它來創建不同的具體產品。
- 目的：延遲產品的實例化到子類。
- 解決問題：如何創建一個對象，但讓子類決定具體創建哪個對象。
抽象工廠模式 (Abstract Factory)：
- 關注點：創建一系列相關的產品對象（一個產品族）。
- 結構：一個抽象工廠接口（包含多個創建不同種類產品的抽象方法，如 createProductA(), createProductB()），多個具體工廠實現它來創建屬于同一個產品族的不同具體產品。
- 目的：提供一個接口，用于創建一系列相關或相互依賴的對象，而無需指定它們具體的類。
- 解決問題：如何創建一組相互關聯/依賴的對象，并保證它們之間是兼容的。