深入淺出設計模式——工廠方法模式（Factory Method）

介紹
在簡單工廠模式中，我們提到，工廠方法模式是簡單工廠模式的一個延伸，它屬於Gof23中設計模式的創建型設計模式。它解決的仍然是軟件設計中與創建對象有關的問題。它可以更好的處理客戶的需求變化。

引入
我們繼續來說"new"的問題，我們在簡單工廠模式中，將實例化對象的工作推遲到了專門負責創建對象的工廠類中，這樣，在我們事先預知的情況下，可以根據我們的需要動態創建產品類。但是，我們的預知是有限的，客戶的變化可能是無限的。所以，就出現了問題，一旦客戶的變化超越了我們的預知，我們就必須修改我們的源代碼了。這是設計模式所不允許的，怎么辦呢？工廠方法模式正是解決此類問題的。
問題：具體工廠類的創建工作不能滿足我們的要求了，創建的工作變化了
解決思路：哪里變化，封裝哪里。把具體工廠封裝起來。

定義
工廠方法模式又稱為工廠模式，也叫虛擬構造器（Virtual Constructor）模式或者多態工廠模式（Polymorphic Factory），在工廠方法模式中，父類負責定義創建對象的公共接口，而子類則負責生成具體的對象，這樣做的目的是將類的實例化操作延遲到子類中完成，即由子類來決定究竟應該實例化（創建）哪一個類。
工廠方式法模式（Factory Method），定義了一個用於創建對象的接口，讓子類決定實例化哪一個類。工廠方法使一個類的實例化延遲到子類。

意圖
定義一個用戶創建對象的接口，讓子類決定實例化哪一個類，工廠方法模式使一個類的實例化延遲到其子類。

參與者
抽象產品角色（Product）：定義產品的接口
具體產品角色（ConcreteProduct） ：實現接口Product的具體產品類
抽象工廠角色（Creator） ：聲明工廠方法（FactoryMethod），返回一個產品
真實的工廠（ConcreteCreator）：實現FactoryMethod工廠方法，由客戶調用，返回一個產品的實例
工廠方法模式UML圖

現實生活中的例子
為了方便大家理解，我仍然舉穿衣服方面的一個例子。這個例子與簡單工廠模式中的那個例子有些不同。
據說清朝有個皇帝穿衣非常的奢侈，每種衣服（具體產品類）由一宮女（具體工廠類）專門負責，這樣一來，每增加一種衣服（具體產品類），就要多出一個宮女（具體工廠類），但是他們各負其責，互不影響。皇帝之所以這樣做，是因為針對穿衣服這件事來說，可擴展性是非常強的。

分析
實現的功能：可以根據皇帝的要求，動態的創建（由宮女去拿）已存在的具體產品（衣服），如果皇帝的要求太苛刻，這種衣服還沒有，只需要增加一個宮女，一個衣服就能夠滿足他的要求了。每個宮女只負責一種衣服（高內聚），要增加一種衣服，對於以前的所有宮女與衣服來說，都不會受到影響（設計模式中所期望的）。說到這里，是不是明白了工廠方法模式所能解決的問題及其應用了？呵呵。。你一定在想，比簡單工廠模式靈活性高吧。
體系結構

ICoat.cs

namespace FactoryMethod
{
    /// <summary>
    /// 抽象產品類
    /// </summary>
    public interface ICoat
    {
        void ShowCoat();
    }
}

IFactory.cs

namespace FactoryMethod
{
    /// <summary>
    /// 抽象工廠類，定義產品的接口
    /// </summary>
    public interface IFactory
    {
        ICoat CreateCoat();
    }
}

FashionCoat.cs

using System;

namespace FactoryMethod
{
    /// <summary>
    /// 具體產品類，時尚上衣類
    /// </summary>
    public class FashionCoat :ICoat
    {
        public void ShowCoat()
        {
            Console.WriteLine("這件是時尚上衣");
        }
    }
}

BusinessCoat.cs

using System;

namespace FactoryMethod
{
    /// <summary>
    /// 具體產品類，商務上衣類
    /// </summary>
    public class BusinessCoat :ICoat
    {
        public void ShowCoat()
        {
            Console.WriteLine("這件是商務上衣");
        }
    }
}

FashionFactory.cs

namespace FactoryMethod
{
    /// <summary>
    /// 具體工廠類，用於創建時尚上衣
    /// </summary>
    public class FashionFactory :IFactory
    {
        public ICoat CreateCoat()
        {
            return new FashionCoat();
        }
    }
}

BusinessFactory.cs

namespace FactoryMethod
{
    /// <summary>
    /// 具體工廠類:用於創建商務上衣類
    /// </summary>
    public class BusinessFactory : IFactory
    {
        public ICoat CreateCoat()
        {
            return new BusinessCoat();
        }
    }
}

App.config

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration>
    <appSettings>
        <add key="FactoryName" value="FashionFactory"/>
    </appSettings>
</configuration>

Program.cs

using System;
using System.Configuration;
using System.Reflection;

namespace FactoryMethod
{
    class Client
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //BusinessFactory factory = new BusinessFactory();
            //為了方便以后修改,將工廠類的類名寫在應用程序配置文件中
            string factoryName = ConfigurationManager.AppSettings["FactoryName"];
            IFactory factory = (IFactory)Assembly.Load("FactoryMethod").CreateInstance("FactoryMethod." + factoryName);
            
            ICoat coat = factory.CreateCoat();
            //顯示你要的上衣
            coat.ShowCoat();
            Console.ReadLine();
        }
    }
}

客戶端代碼需要注意的兩個地方：
1、把具體工廠類類名稱寫在了應用程序配置文件中，方便修改；
2、用到了反射，利用.NET提供的反射可以根據類名來創建它的實例，非常方便。

工廠方法模式的優點
在工廠方法模式中，工廠方法用來創建客戶所需要的產品，同時還向客戶隱藏了哪種具體產品類將被實例化這一細節，用戶只需要關心所需產品對應的工廠，無須關心創建細節，甚至無須知道具體產品類的類名。
基於工廠角色和產品角色的多態性設計是工廠方法模式的關鍵。它能夠使工廠可以自主確定創建何種產品對象，而如何創建這個對象的細節則完全封裝在具體工廠內部。工廠方法模式之所以又被稱為多態工廠模式，是因為所有的具體工廠類都具有同一抽象父類。
使用工廠方法模式的另一個優點是在系統中加入新產品時，無須修改抽象工廠和抽象產品提供的接口，無須修改客戶端，也無須修改其他的具體工廠和具體產品，而只要添加一個具體工廠和具體產品就可以了。這樣，系統的可擴展性也就變得非常好，完全符合“開閉原則”。

工廠方法模式的缺點
在添加新產品時，需要編寫新的具體產品類，而且還要提供與之對應的具體工廠類，系統中類的個數將成對增加，在一定程度上增加了系統的復雜度，有更多的類需要編譯和運行，會給系統帶來一些額外的開銷。
由於考慮到系統的可擴展性，需要引入抽象層，在客戶端代碼中均使用抽象層進行定義，增加了系統的抽象性和理解難度，且在實現時可能需要用到DOM、反射等技術，增加了系統的實現難度。

模式適用環境
在以下情況下可以使用工廠方法模式：
一個類不知道它所需要的對象的類：在工廠方法模式中，客戶端不需要知道具體產品類的類名，只需要知道所對應的工廠即可，具體的產品對象由具體工廠類創建；客戶端需要知道創建具體產品的工廠類。
一個類通過其子類來指定創建哪個對象：在工廠方法模式中，對於抽象工廠類只需要提供一個創建產品的接口，而由其子類來確定具體要創建的對象，利用面向對象的多態性和里氏代換原則，在程序運行時，子類對象將覆蓋父類對象，從而使得系統更容易擴展。
將創建對象的任務委托給多個工廠子類中的某一個，客戶端在使用時可以無須關心是哪一個工廠子類創建產品子類，需要時再動態指定，可將具體工廠類的類名存儲在配置文件或數據庫中。

小結
工廠方法模式又稱為工廠模式，它屬於類創建型模式。在工廠方法模式中，工廠父類負責定義創建產品對象的公共接口，而工廠子類則負責生成具體的產品對象，這樣做的目的是將產品類的實例化操作延遲到工廠子類中完成，即通過工廠子類來確定究竟應該實例化哪一個具體產品類。
工廠方法模式包含四個角色：抽象產品是定義產品的接口，是工廠方法模式所創建對象的超類型，即產品對象的共同父類或接口；具體產品實現了抽象產品接口，某種類型的具體產品由專門的具體工廠創建，它們之間往往一一對應；抽象工廠中聲明了工廠方法，用於返回一個產品，它是工廠方法模式的核心，任何在模式中創建對象的工廠類都必須實現該接口；具體工廠是抽象工廠類的子類，實現了抽象工廠中定義的工廠方法，並可由客戶調用，返回一個具體產品類的實例。
工廠方法模式是簡單工廠模式的進一步抽象和推廣。由於使用了面向對象的多態性，工廠方法模式保持了簡單工廠模式的優點，而且克服了它的缺點。在工廠方法模式中，核心的工廠類不再負責所有產品的創建，而是將具體創建工作交給子類去做。這個核心類僅僅負責給出具體工廠必須實現的接口，而不負責產品類被實例化這種細節，這使得工廠方法模式可以允許系統在不修改工廠角色的情況下引進新產品。
工廠方法模式的主要優點是增加新的產品類時無須修改現有系統，並封裝了產品對象的創建細節，系統具有良好的靈活性和可擴展性；其缺點在於增加新產品的同時需要增加新的工廠，導致系統類的個數成對增加，在一定程度上增加了系統的復雜性。
工廠方法模式適用情況包括：一個類不知道它所需要的對象的類；一個類通過其子類來指定創建哪個對象；將創建對象的任務委托給多個工廠子類中的某一個，客戶端在使用時可以無須關心是哪一個工廠子類創建產品子類，需要時再動態指定。