用一个例子说明五种创建型设计模式

设计模式六大基本原则链接：用现实生活中实例解释说明设计模式六大基本原则

后续会在这个例子上扩展，包含其余结构型模式和行为型模式，后续代码会上传GitHub。

创建型模式 这些设计模式提供了一种在创建对象的同时隐藏创建逻辑的方式，而不是使用 new 运算符直接实例化对象。这使得程序在判断针对某个给定实例需要创建哪些对象时更加灵活。

• 工厂模式（Factory Pattern）
• 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）
• 单例模式（Singleton Pattern）单例模式原理较为简单，不作阐述，例子中使用到了单例模式
• 建造者模式（Builder Pattern）
• 原型模式（Prototype Pattern）

一辆汽车包含电气部分(Electical)发动机(Engine)和外壳(Shell)；然后衍生出了电气部分工厂，发动机工厂和外壳工厂；宝马（BMW）部件生产工厂，奔驰（Benz）部件生产工厂等等……

以这个例子由简单到复杂讲解五种创建型模式

整体代码结构：

UML图

UML简图

UML完整图

工厂模式

简单工厂模式

简单工厂包含如下角色：

抽象产品 ：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。

具体产品 ：实现或者继承抽象产品的子类

具体工厂 ：提供了创建产品的方法，调用者通过该方法来获取产品。

抽象产品：

• 电气部分(Electical)
• 发动机(Engine)
• 外壳(Shell)

具体产品：

• CarElectical
• CarEngine
• CarShell

具体工厂：

• CarElecticalFactory
• CarEngineFactory
• CarShellFactory

优缺点

优点：

封装了创建对象的过程，可以通过参数直接获取对象。把对象的创建和业务逻辑层分开，这样以后就避免了修改客户代码，如果要实现新产品直接修改工厂类，而不需要在原代码中修改，这样就降低了客户代码修改的可能性，更加容易扩展。

缺点：

增加新产品时还是需要修改工厂类的代码，违背了“开闭原则”。

工厂方法模式

定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪个产品类对象。工厂方法使一个产品类的实例化延迟到其工厂的子类。

工厂方法模式的主要角色：

• 抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，调用者通过它访问具体工厂的工厂方法来创建产品。

• 具体工厂（ConcreteFactory）：主要是实现抽象工厂中的抽象方法，完成具体产品的创建。

• 抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能。

• 具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它同具体工厂之间一一对应。

增加了抽象工厂MultiplePartsFactory：

优缺点

优点：

• 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品，无须知道产品的具体创建过程；
• 在系统增加新的产品时只需要添加具体产品类和对应的具体工厂类，无须对原工厂进行任何修改，满足开闭原则；

缺点：

• 每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类，这增加了系统的复杂度。

抽象工厂模式

前面介绍的工厂方法模式中考虑的是一类产品的生产，如畜牧场只养动物、电视机厂只生产电视机；这些工厂只生产同种类产品，同种类产品称为同等级产品，也就是说：工厂方法模式只考虑生产同等级的产品，但是在现实生活中许多工厂是综合型的工厂，能生产多等级（种类） 的产品，如电器厂既生产电视机又生产洗衣机或空调，大学既有软件专业又有生物专业等。

将同一个具体工厂所生产的位于不同等级的一组产品称为一个产品族，下图所示横轴是产品等级，也就是同一类产品；纵轴是产品族，也就是同一品牌的产品，同一品牌的产品产自同一个工厂。

是一种为访问类提供一个创建一组相关或相互依赖对象的接口，且访问类无须指定所要产品的具体类就能得到同族的不同等级的产品的模式结构。抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本，工厂方法模式只生产一个等级的产品，而抽象工厂模式可生产多个等级的产品。

结构

抽象工厂模式的主要角色如下：

• 抽象工厂（Abstract Factory）：提供了创建产品的接口，它包含多个创建产品的方法，可以创建多个不同等级的产品。

• 具体工厂（Concrete Factory）：主要是实现抽象工厂中的多个抽象方法，完成具体产品的创建。

• 抽象产品（Product）：定义了产品的规范，描述了产品的主要特性和功能，抽象工厂模式有多个抽象产品。

• 具体产品（ConcreteProduct）：实现了抽象产品角色所定义的接口，由具体工厂来创建，它 同具体工厂之间是多对一的关系。

  举例说明

抽象产品：

• 电气部分(Electical)
• 发动机(Engine)
• 外壳(Shell)

具体产品：

• CarElectical
• CarEngine
• CarShell

具体工厂：

• BenzFactory
• BMWFactory
• CarShellFactory

抽象工厂：

• MultiplePartsFactory

优缺点

优点：

如果要加同一个产品族的话，只需要再加一个对应的工厂类即可，不需要修改其他的类。当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时，它能保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。

缺点：

当产品族中需要增加一个新的产品时，所有的工厂类都需要进行修改。

使用场景

• 当需要创建的对象是一系列相互关联或相互依赖的产品族时，如电器工厂中的电视机、洗衣机、空调等。

• 系统中有多个产品族，但每次只使用其中的某一族产品。如有人只喜欢穿某一个品牌的衣服和鞋。

• 系统中提供了产品的类库，且所有产品的接口相同，客户端不依赖产品实例的创建细节和内部结构。

原型模式

用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型对象相同的新对象。

结构

原型模式包含如下角色：

• 抽象原型类：规定了具体原型对象必须实现的的 clone() 方法。
• 具体原型类：实现抽象原型类的 clone() 方法，它是可被复制的对象。
• 访问类：使用具体原型类中的 clone() 方法来复制新的对象。

在这个例子中，让BenzFactory 实现Cloneable接口，而BWM工厂使用了单例模式，即宝马只在总部生产运往世界各地，而奔驰在全世界各地开分厂。

使用场景

• 对象的创建非常复杂，可以使用原型模式快捷的创建对象。
• 性能和安全要求比较高。

建造者模式

概述

将一个复杂对象的构建与表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

• 分离了部件的构造(由Builder来负责)和装配(由Director负责)。 从而可以构造出复杂的对象。这个模式适用于：某个对象的构建过程复杂的情况。
• 由于实现了构建和装配的解耦。不同的构建器，相同的装配，也可以做出不同的对象；相同的构建器，不同的装配顺序也可以做出不同的对象。也就是实现了构建算法、装配算法的解耦，实现了更好的复用。
• 建造者模式可以将部件和其组装过程分开，一步一步创建一个复杂的对象。用户只需要指定复杂对象的类型就可以得到该对象，而无须知道其内部的具体构造细节。

结构

建造者（Builder）模式包含如下角色：

• 抽象建造者类（Builder）：这个接口规定要实现复杂对象的那些部分的创建，并不涉及具体的部件对象的创建。
• 具体建造者类（ConcreteBuilder）：实现 Builder 接口，完成复杂产品的各个部件的具体创建方法。在构造过程完成后，提供产品的实例。
• 产品类（Product）：要创建的复杂对象。
• 指挥者类（Director）：调用具体建造者来创建复杂对象的各个部分，在指导者中不涉及具体产品的信息，只负责保证对象各部分完整创建或按某种顺序创建。

在例子中：

• 抽象建造者类：CarBuilder

• 具体建造者类：BenzBuilder BMWBuilder

• 产品类：Benz BMW

• 指挥者类：BenzDirector BMWDirector

类图如下：

优缺点

优点：

• 建造者模式的封装性很好。使用建造者模式可以有效的封装变化，在使用建造者模式的场景中，一般产品类和建造者类是比较稳定的，因此，将主要的业务逻辑封装在指挥者类中对整体而言可以取得比较好的稳定性。
• 在建造者模式中，客户端不必知道产品内部组成的细节，将产品本身与产品的创建过程解耦，使得相同的创建过程可以创建不同的产品对象。
• 可以更加精细地控制产品的创建过程 。将复杂产品的创建步骤分解在不同的方法中，使得创建过程更加清晰，也更方便使用程序来控制创建过程。
• 建造者模式很容易进行扩展。如果有新的需求，通过实现一个新的建造者类就可以完成，基本上不用修改之前已经测试通过的代码，因此也就不会对原有功能引入风险。符合开闭原则。

缺点：

造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点，其组成部分相似，如果产品之间的差异性很大，则不适合使用建造者模式，因此其使用范围受到一定的限制。

使用场景

建造者（Builder）模式创建的是复杂对象，其产品的各个部分经常面临着剧烈的变化，但将它们组合在一起的算法却相对稳定，所以它通常在以下场合使用。

• 创建的对象较复杂，由多个部件构成，各部件面临着复杂的变化，但构件间的建造顺序是稳定的。
• 创建复杂对象的算法独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式，即产品的构建过程和最终的表示是独立的。

工厂方法模式VS建造者模式

工厂方法模式注重的是整体对象的创建方式；而建造者模式注重的是部件构建的过程，意在通过一步一步地精确构造创建出一个复杂的对象。

抽象工厂模式VS建造者模式

抽象工厂模式实现对产品家族的创建，一个产品家族是这样的一系列产品：具有不同分类维度的产品组合，采用抽象工厂模式则是不需要关心构建过程，只关心什么产品由什么工厂生产即可。建造者模式则是要求按照指定的蓝图建造产品，它的主要目的是通过组装零配件而产生一个新产品。如果将抽象工厂模式看成汽车配件生产工厂，生产一个产品族的产品，那么建造者模式就是一个汽车组装工厂，通过对部件的组装可以返回一辆完整的汽车。

运行

public class BuildMain {
    public static void main(String[] args) {
        BMWDirector bmwDirector = new BMWDirector(new BWMBuilder());
        BenzDirector benzDirector = new BenzDirector(new BenzBuilder());
        BMW bmw = bmwDirector.buildWholeCar();
        Benz benz = benzDirector.buildWholeCar();
        System.out.println(bmw.toString());
        System.out.println(benz.toString());

    }
}

/*

    组装BMW电气系统
            组装BMW发动机
    组装BMW车壳
            组装benz电气系统
    组装benz发动机
            组装benz车壳
    BMW{carElectical=CarElectical{name='BWM'}, carEngine=CarEngine{name='BWM'}, carShell=CarShell{name='BWM'}}
    Benz{carElectical=CarElectical{name='Benz'}, carEngine=CarEngine{name='Benz'}, carShell=CarShell{name='Benz'}}*/