设计模式--抽象工厂之新解
动 机
设计模式相信大家早已不再陌生，尤其在Java语言被广泛使用以后 ，GoF设计模式更是被广大Java程序员所熟知。
抽象工厂模式作为GoF模式中最重要和最经典的一个模式 ，几乎无处不被使用。
但是你真正地完全理解了抽象工厂设计模式了吗？你能默写出一个抽象工厂框架吗？
看了许多抽象工厂设计模式的中文文档，总觉得阐述得还不够简单，文档格式的组织也不够良好，提供的代码不够完整，这都导致了读者要么没有耐心读完整篇文档，要么不能真正实践例子代码。
于是有了"新解"的想法，即虚拟一个足够简单的案例，尝试从一个全新的、更加通俗的角度去诠释它，并提供完整的可以运行的Eclipse工程去调试运行它，非常适合设计模式初学者。
虚拟案例
中国企业需要一项简单的财务计算：每月月底，财务人员要计算员工的工资。
员工的工资 = (基本工资 + 奖金 - 个人所得税)。这是一个放之四海皆准的运算法则。
为了简化系统，我们假设员工基本工资总是4000美金。
中国企业奖金和个人所得税的计算规则是:
奖金 = 基本工资(4000) * 10%
个人所得税 = (基本工资 + 奖金) * 40%
MaxDO软件公司要为此构建一个软件系统（代号叫Softo），满足中国企业的需求。
案例分析
奖金(Bonus)、个人所得税(Tax)的计算是Softo系统的业务规则(Service)
工资的计算(Calculator)则调用业务规则(Service)来计算员工的实际工资。
工资的计算作为业务规则的前端(或者客户端Client)将提供给最终使用该系统的用户(财务人员)使用。
针对中国企业为系统建模
根据上面的分析，为Softo系统建模如下:
图 1
相应业务规则(Service)类源码如下:
package com.maxdo.sample.service;
public class Constant {
public static double BASE_SALARY = 4000;
}
//////////////////////////////////////////////////
package com.maxdo.sample.service.chinese;
import com.maxdo.sample.service.Constant;
public class ChineseTax{
public double calculate() {
return (Constant.BASE_SALARY + (Constant.BASE_SALARY * 0.1)) * 0.4;
}
}
//////////////////////////////////////////////////
package com.maxdo.sample.service.chinese;
import com.maxdo.sample.service.Constant;
public class ChineseBonus{
public double calculate(){
return Constant.BASE_SALARY * 0.1;
}
}
那么前端类Calculator源码如下:
package com.maxdo.sample.client;
import com.maxdo.sample.service.*;
import com.maxdo.sample.service.chinese.*;
public class Calculator {
public static void main(String[] args) {
ChineseBonus bonus = new ChineseBonus();
double bonusValue = bonus.calculate();
ChineseTax tax = new ChineseTax();
double taxValue = tax.calculate();
double salary = 4000 + bonusValue - taxValue;
System.out.println("Salary is " + salary);
}
}
运行Calculator,输出结果如下:
Salary is 2640.0
针对美国企业为系统建模
问题提出为了拓展国际市场,MaxDO要把该系统移植给美国公司使用。
美国企业的工资计算同样是: 员工的工资 = 基本工资 + 奖金 - 个人所得税。
但是他们的奖金和个人所得税的计算规则不同于中国企业:
美国企业奖金和个人所得税的计算规则是:
奖金 = 基本工资 * 15 %
个人所得税 = (基本工资 * 5% + 奖金 * 25%)
解决方案根据前面为中国企业建模经验，我们仅仅将ChineseTax、ChineseBonus修改为AmericanTax、AmericanBonus。 修改后的模型如下：
图 2
相应业务规则(Service)源码如下: package com.maxdo.sample.service;
public class Constant {
public static double BASE_SALARY = 4000;
}
//////////////////////////////////////////////////
package com.maxdo.sample.service.american;
import com.maxdo.sample.service.Bonus;
import com.maxdo.sample.service.Constant;
public class AmericanBonus{
public double calculate(){
return Constant.BASE_SALARY * 0.15;
}
}
//////////////////////////////////////////////////
package com.maxdo.sample.service.american;
import com.maxdo.sample.service.Constant;
//////////////////////////////////////////////////
public class AmericanTax{
public double calculate() {
return (Constant.BASE_SALARY * 0.05 + Constant.BASE_SALARY * 0.25);
}
}
前端类Calculator源码如下(红色的部分是被修正处):
package com.maxdo.sample;
public class Calculator {
public static void main(String[] args) {
AmericanBonus bonus = new AmericanBonus();
double bonusValue = bonus.calculate();
AmericanTax tax = new AmericanTax();
double taxValue = tax.calculate();
double salary = 4000 + bonusValue - taxValue;
System.out.println("Salary is " + salary);
}
}
运行Calculator,输出结果如下:
Salary is 3400.0
整合成通用系统
问题提出让我们回顾一下该系统的发展历程：
最初，我们只考虑将Softo系统运行于中国企业。但随着MaxDO公司业务向海外拓展， MaxDO需要将该系统移植给美国使用。
移植时,MaxDO不得不抛弃中国企业的业务规则类ChineseTax和ChineseBonus， 然后为美国企业新建两个业务规则类: AmericanTax,AmericanBonus。最后修改了业务规则调用Calculator类。
结果我们发现：每当Softo系统移植的时候，就抛弃原来的类。现在，如果中国联想集团要购买该系统，我们不得不再次抛弃AmericanTax,AmericanBonus，修改回原来的业务规则。
解决方案一个可以立即想到的做法就是在系统中保留所有业务规则模型，即保留中国和美国企业工资运算规则。
图 3
通过保留中国企业和美国企业的业务规则模型，如果该系统在美国企业和中国企业之间切换时，我们仅仅需要修改Caculator类即可。
让移植工作更简单——面向接口
问题提出前面系统的整合问题在于：当系统在客户在美国和中国企业间切换时仍然需要修改Caculator代码。
解决方案MaxDO发现不论是中国企业还是美国企业，他们的业务运规则都采用同样的计算接口。 于是很自然地想到建立两个业务接口类Tax，Bonus，然后让AmericanTax、AmericanBonus和ChineseTax、ChineseBonus分别实现这两个接口， 据此修正后的模型如下:
图 4
修改后的Calculator代码如下:
package com.maxdo.sample;
import com.maxdo.sample.service.*;
import com.maxdo.sample.service.american.*;
public class Calculator {
public static void main(String[] args) {
Bonus bonus = new AmericanBonus();
double bonusValue = bonus.calculate();
Tax tax = new AmericanTax();
double taxValue = tax.calculate();
double salary = 4000 + bonusValue - taxValue;
System.out.println("Salary is " + salary);
}
}
显然，系统经过改造，当它在美国和中国企业间切换时Caculator代码的修改量减少了(不必修改绿色的部分)。
为业务规则增加工厂方法
问题提出然而，上面增加的接口几乎没有解决任何问题，因为当系统的客户在美国和中国企业间切换时Caculator代码仍然需要修改。
只不过修改少了两处，但是仍然需要修改红色代码部分。致命的问题是：MaxDO常常将这个移植工作转包给一个叫Hippo的软件公司。 由于版权问题,MaxDO并未提供Softo系统的源码给Hippo公司，因此Hippo公司根本无法修改Calculator，导致实际上移植工作无法进行。
解决方案为此，MaxDO考虑增加一个工具类(命名为Factory)，代码如下:
package com.maxdo.sample.service;
import com.maxdo.sample.service.chinese.*;
public class Factory {
public Tax createTax(){
return new ChineseTax();
}
public Bonus createBonus(){
return new ChineseBonus();
}
}
那么修改后的Caculator看起来如下:
package com.maxdo.sample;
import com.maxdo.sample.service.*;
import com.maxdo.sample.service.american.*;
public class Calculator {
public static void main(String[] args) {
Bonus bonus = new Factory().createBonus();
double bonusValue = bonus.calculate();
Tax tax = new Factory().createTax();
double taxValue = tax.calculate();
double salary = 4000 + bonusValue - taxValue;
System.out.println("Salary is " + salary);
}
}
不错，MaxDO解决了一个大问题，设想一下：当该系统从中国企业移植到美国企业时，我们现在需要做什么？
答案是: 对于Caculator类我们什么也不用做。我们需要做的是修改Factory类的红色部分，修改结果如下:
package com.maxdo.sample;
import com.maxdo.sample.service.american.*;
public class Factory {
public Tax createTax(){
return new AmericanTax();
}
public Bonus createBonus(){
return new AmericanBonus();
}
}
为系统增加抽象工厂方法
问题提出
很显然，前面的解决方案带来了一个副作用：就是系统不但增加了新的类Factory，而且当系统移植时，移植工作仅仅是转移到Factory类上，工作量并没有任何缩减，而且还是要修改系统的源码。 从Factory类在系统移植时修改的内容我们可以看出: 实际上它是专属于美国企业或者中国企业的。名称上应该叫AmericanFactory,ChineseFactory更合适.
解决方案
解决方案是增加一个抽象工厂类AbstractFactory，增加一个静态方法，该方法根据一个配置文件(可以是XML/Properties文件) 一个项(比如factoryName)动态地判断应该实例化哪个工厂类，这样，我们就把移植工作转移到了对配置文件的修改。修改后的模型和代码.
图 5
抽象工厂类的代码如下:
package com.maxdo.sample.service;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.util.Properties;
import com.maxdo.sample.service.chinese.*;
import com.maxdo.sample.service.american.*;
abstract public class AbstractFactory {
abstract public Tax createTax();
abstract public Bonus createBonus();
public static AbstractFactory getInstance(){
AbstractFactory instance = null;
Properties prop = new Properties();
InputStream stream = null;
try {
// 从config.properties读取factoryName项的值
stream = new FileInputStream("config.properties");
prop.load(stream);
}catch(IOException e){
e.printStackTrace();
}
String factoryName = prop.getProperty("factoryName");
// 根据FactoryName的值决定实例化哪一个工厂类
if(factoryName.equals("American")){
return new AmericanFactory();
}
else if(factoryName.equals("Chinese")){
return new ChineseFactory();
}
return instance;
}
}
config.properties内容如下:
factoryName=Chinese
采用上面的解决方案，当系统在美国企业和中国企业之间切换时，我们需要做什么移植工作？
答案是: 我们仅仅需要修改配置文件config.proerties，将factoryName的值改为American。
修改config.properties的工作很简单， MaxDO的工程师只要写一篇幅配置文档说明书提供给移植该系统的团队(比如Hippo公司) 就可以方便地切换使该系统运行在美国或中国企业。
最后的修正（不是最终方案）
问题提出前面的解决方案几乎很完美，但是还有一点瑕疵，瑕疵虽小，但可能是致命的。
考虑一下，现在日本NEC公司决定购买该系统，NEC公司的工资的运算规则遵守的是日本的法律。如果采用上面的系统构架，这个移植我们要做哪些工作呢?
增加新的业务规则类JapaneseTax,JapaneseBonus分别实现Tax和Bonus接口。 修改AbstractFactory的getInstance方法，增加else if(factoryName.equals("Japanese")){....
我们真正不能接受的是：我们仍然修要修改系统中原来的类(AbstractFactory)。前面提到过该系统的移植工作，MaxDO可能转包给一个叫Hippo的软件公司。 为了维护版权，MaxDO未将该系统的源码提供给Hippo公司，那么Hippo公司根本无法修改AbstractFactory，所以系统移植其实无从谈起，或者说系统移植总要MaxDO亲自参与。
解决方案解决方案是将AbstractFactory的getInstance方法的if/else改变为java类反射方式实现，修正后的AbstractFactory代码如下:
package com.maxdo.sample.service;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.util.Properties;
abstract public class AbstractFactory {
abstract public Tax createTax();
abstract public Bonus createBonus();
public static AbstractFactory getInstance(){
AbstractFactory instance = null;
Properties prop = new Properties();
InputStream stream = null;
try {
stream = new FileInputStream("config.properties");
prop.load(stream);
}catch(IOException e){
e.printStackTrace();
}
String factoryName = prop.getProperty("factoryName");
try {
instance = (AbstractFactory)Class.forName(factoryName).newInstance();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
instance = null;
}
return instance;
}
}
注意源码中红色部分，得益于JAVA这个API提供的反射机制，我们才得以这么做。
配合java反射机制，你需要修改config.properties文件的factoryName值为实际的类名:
#factoryName=Chinese
factoryName=com.maxdo.sample.service.chinese.ChineseFactory
总 结
图5是最终版的系统模型图。我们发现作为客户端角色的Calculator仅仅依赖com.maxdo.sample.service包， 它不必去理解中国和美国企业具体的业务规则如何实现，Calculator面对的仅仅是业务规则接口Tax和Bonus。
Softo系统的实际开发的分工可能是一个团队专门做业务规则，另一个团队专门做前端的业务规则组装。 抽象工厂模式有助于这样的团队的分工: 两个团队通讯的约定是业务接口，由抽象工厂作为纽带粘合业务规则和前段调用，大大降低了模块间的耦合性，提高了团队开发效率。
抽象工厂模式的实现得益于OO语言的特性。对于Java语言，相应的的特性是：
Java的接口特性: 比如,Tax obj = new ChineseTax();
实例化一个真正的类ChineseTax，然后返回一个接口Tax。这个是Java的基础知识，如果你还不能明白，我建议你先去看看一些Java编程的基础书籍。Java的类反射机制:Class.forName("RealClassName").newInstance();
正是因为这个API，我们才得以将系统的移植(实际是实现类的切换)转移到配置文件的字符串修改上面。
Java世界几乎所有的组件都有抽象工厂模式。完完全全地理解抽象工厂模式的意义非常重大，可以说对它的理解是你对OOP理解上升到一个新的里程碑的重要标志。 学会了用抽象工厂模式编写框架类，你将理解OOP的精华:面向接口编程.。完整的代码请在这里下载。
作者简介
蝈蝈龙(Ailon Guo)是一位自由职业者，专门从事于J2EE系统的咨询交流与协作，现在上海游荡，您可以通过ailons@21cn.com与Ailon联系。
