设计模式：工厂方法模式（Factory Method Pattern）的原理、实现与典型应用场景

题目描述
工厂方法模式是一种创建型设计模式，它定义了一个创建对象的接口，但由子类决定要实例化的类是哪一个。工厂方法模式让类的实例化推迟到子类进行。核心思想是：定义一个用于创建对象的接口（或抽象类），让子类决定实例化哪一个具体类。工厂方法模式也被称为“虚拟构造器（Virtual Constructor）”。

解题过程（循序渐进讲解）

步骤1：理解问题背景与动机
假设我们要设计一个跨平台的UI库，其中有一个Button组件。在不同操作系统（如Windows、macOS）下，按钮的渲染和行为可能不同。如果我们直接在代码中通过new WinButton()或new MacButton()来创建按钮，那么代码会与具体平台紧密耦合，难以扩展和维护。工厂方法模式通过引入“工厂”来封装对象的创建逻辑，将客户端代码与具体产品解耦。

步骤2：识别核心角色
工厂方法模式包含以下4个核心角色：

1. 产品（Product）：定义产品的接口（或抽象类）。
2. 具体产品（Concrete Product）：实现产品接口的具体类。
3. 创建者/工厂（Creator）：声明工厂方法（返回产品类型），也可以包含产品的一些默认操作。
4. 具体创建者/具体工厂（Concrete Creator）：重写工厂方法，返回具体产品的实例。

步骤3：用代码示例逐步实现
以下以跨平台按钮为例，展示工厂方法模式的实现：

1. 定义产品接口
   这是所有按钮的抽象，声明了按钮的通用方法（如render和onClick）。

   // 产品接口
   public interface Button {
       void render();
       void onClick();
   }
   

2. 实现具体产品
   针对不同平台实现具体的按钮类。

   // 具体产品：Windows按钮
   public class WinButton implements Button {
       @Override
       public void render() {
           System.out.println("渲染一个Windows风格的按钮");
       }
       @Override
       public void onClick() {
           System.out.println("Windows按钮被点击");
       }
   }
   
   // 具体产品：macOS按钮
   public class MacButton implements Button {
       @Override
       public void render() {
           System.out.println("渲染一个macOS风格的按钮");
       }
       @Override
       public void onClick() {
           System.out.println("macOS按钮被点击");
       }
   }
   

3. 定义创建者（抽象工厂）
   创建者声明了工厂方法（createButton），该方法返回一个Button对象。创建者也可以包含一些与产品相关的业务逻辑（如renderButton）。

   // 创建者（抽象工厂）
   public abstract class Dialog {
       // 工厂方法：由子类实现，决定创建哪种按钮
       public abstract Button createButton();
   
       // 业务逻辑：使用工厂方法创建的产品
       public void renderButton() {
           Button button = createButton(); // 调用工厂方法
           button.render();
           button.onClick();
       }
   }
   

   注意：工厂方法是抽象的，延迟到子类实现。

4. 实现具体创建者
   每个具体创建者负责创建一种特定类型的按钮。

   // 具体创建者：Windows对话框
   public class WinDialog extends Dialog {
       @Override
       public Button createButton() {
           return new WinButton(); // 返回Windows按钮
       }
   }
   
   // 具体创建者：macOS对话框
   public class MacDialog extends Dialog {
       @Override
       public Button createButton() {
           return new MacButton(); // 返回macOS按钮
       }
   }
   

5. 客户端使用
   客户端代码只依赖抽象的Dialog和Button，不依赖具体类。具体工厂和产品的选择可以在运行时决定（例如根据配置或环境）。

   public class Client {
       public static void main(String[] args) {
           Dialog dialog;
           // 模拟根据配置选择平台
           String config = System.getProperty("os.name").toLowerCase();
           if (config.contains("win")) {
               dialog = new WinDialog();
           } else {
               dialog = new MacDialog();
           }
           // 使用工厂方法创建产品并执行业务逻辑
           dialog.renderButton();
       }
   }
   

   运行结果（假设在Windows环境下）：

   渲染一个Windows风格的按钮
   Windows按钮被点击
   

步骤4：分析模式特点与优势

• 优点：

  1. 解耦：将对象创建与使用分离，客户端只依赖抽象接口，符合“依赖倒置原则”。
  2. 可扩展性：添加新产品时，只需新增具体产品和具体工厂，无需修改现有代码（符合“开闭原则”）。
  3. 单一职责：每个具体工厂只负责创建一种产品，逻辑清晰。

• 缺点：

  1. 类数量增加：每新增一个产品，就需要新增一个具体工厂类，可能导致系统类数量膨胀。
  2. 增加复杂度：引入了额外的抽象层，对于简单对象创建可能显得繁琐。

步骤5：典型应用场景

1. 跨平台UI库（如上述例子）。
2. 日志记录器：不同日志输出方式（文件、控制台、数据库）对应不同的具体产品，由具体工厂创建。
3. 数据库连接：针对不同数据库（MySQL、PostgreSQL）创建不同的连接对象。
4. 框架设计：框架定义抽象产品，由应用程序提供具体实现（例如Spring中的BeanFactory）。
5. 文档处理：支持多种格式（PDF、Word）的文档处理器，每种格式由具体工厂创建。

步骤6：对比简单工厂模式
简单工厂模式（静态工厂）由一个工厂类通过条件判断来创建不同产品。它不符合开闭原则（新增产品需修改工厂类代码），而工厂方法模式通过多态将创建逻辑分散到各个具体工厂中，更符合设计原则。

总结
工厂方法模式通过将对象创建延迟到子类，实现了创建逻辑的封装与扩展。它是许多框架和库的基础模式，理解其核心思想有助于设计出灵活、可维护的系统。在实际面试中，面试官可能会要求手写代码实现，或结合其他模式（如抽象工厂模式）进行讨论。