Python设计模式 - 抽象工厂模式

定义

抽象工厂模式是一种创建型设计模式，它提供了一种创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。

产品等级结构与产品族

为了更好地理解抽象工厂模式，先引入两个概念：

1. 产品等级结构：就是产品的继承结构。例如电视机抽象类有A品牌电视机子类和B品牌电视机子类，那么抽象电视机和具体品牌的电视机就构成了一个产品等级结构。
2. 产品族：同一个工厂生产的，位于不同产品等级结构中的一组产品。例如海尔工厂生产的海尔电视机、海尔电冰箱就构成了一个产品族。

结构

• 抽象工厂（Abstract Factory）：声明一组用于创建一个产品族产品的工厂方法，每个工厂方法对应一种产品。
• 具体工厂（Concrete Factory）：实现抽象工厂中的工厂方法，这些方法创建的产品构成了一个产品族，每种产品都位于不同的产品等级结构中。
• 抽象产品（Abstract Product）：定义产品对象的接口。
• 具体产品（Concrete Product）：实现产品接口的具体产品对象。

应用场景

1. 跨平台的产品系列：当需要为不同的平台（如Windows、Mac、Linux）创建一系列相关的产品时，可以使用抽象工厂模式。每个具体工厂类实现工厂方法来创建一个平台的所有产品。例如，跨平台的GUI框架需要针对不同操作系统生成不同风格的按钮、文本框等组件。
2. 使用多个产品族：系统中有多于一个的产品族，而每次只使用其中某一个产品族，客户端可以通过配置文件等方式来使得用户可以动态改变产品族，也可以很方便地增加新的产品族。例如，窗口中的按钮、文本框可以根据用户的选择按照不同的风格来展示。

优缺点

优点：

1. 封装对象创建：抽象工厂模式将一系列相关对象的创建封装在一起，客户端无需关心对象的创建过程和具体类型。这减少了代码的耦合度，使系统更易于维护和扩展。
2. 产品族的一致性：使用一个具体工厂创建的产品对象可以确保属于同一个产品族，且它们之间是兼容的。这避免了客户端在组合不同产品时可能出现的不兼容问题。
3. 易于扩展：当需要引入新的产品族时，只需添加新的具体工厂类和对应的具体产品类，而不需要修改现有代码。这样能够确保系统的开放-封闭原则，即对扩展开放，对修改封闭。

缺点：

1. 难以支持新产品类型：如果要添加新的产品等级结构，需要修改抽象工厂类及所有的具体工厂类，这违反了开放-封闭原则，增加维护成本。因此在使用抽象方法模式之前要进行全面考虑，尽量不要在设计完成后增加或删除产品等级结构。

代码示例

from abc import ABC, abstractmethod# 抽象产品 - 按钮
class Button(ABC):@abstractmethoddef click(self):pass# 抽象产品 - 文本框
class TextBox(ABC):@abstractmethoddef input(self, text):pass# 具体产品 - Windows 按钮
class WindowsButton(Button):def click(self):print("Windows Button Clicked")# 具体产品 - Windows 文本框
class WindowsTextBox(TextBox):def input(self, text):print(f"Windows TextBox input: {text}")# 具体产品 - Mac 按钮
class MacButton(Button):def click(self):print("Mac Button Clicked")# 具体产品 - Mac 文本框
class MacTextBox(TextBox):def input(self, text):print(f"Mac TextBox input: {text}")# 抽象工厂
class GUIFactory(ABC):@abstractmethoddef create_button(self):pass@abstractmethoddef create_textbox(self):pass# 具体工厂 - Windows 工厂
class WindowsFactory(GUIFactory):def create_button(self):return WindowsButton()def create_textbox(self):return WindowsTextBox()# 具体工厂 - Mac 工厂
class MacFactory(GUIFactory):def create_button(self):return MacButton()def create_textbox(self):return MacTextBox()# 客户端代码
def client(factory: GUIFactory):button = factory.create_button()textbox = factory.create_textbox()button.click()textbox.input("Hello World")# 使用 Windows 工厂
print("Using Windows Factory:")
client(WindowsFactory())# 使用 Mac 工厂
print("\nUsing Mac Factory:")
client(MacFactory())

抽象工厂模式和工厂方法模式的比较

抽象工厂模式是工厂方法模式的进一步延伸，我们从以下几点进行比较它们：

1. 系统开销：工厂方法模式中的每个工厂只生产一种产品，可能会导致系统中存在大量的工厂类，会增加系统的开销。而抽象工厂模式将一些相关的产品组成一个“产品族”，由同一个工厂来统一生产，极大地减少了工厂类的数量。
2. 扩展性：工厂方法模式增加新产品比较容易，只需要增加对应产品类和工厂方法类即可。抽象工厂模式增加新的产品族比较容易，但增加新的产品类型，需要修改抽象工厂类及所有的具体工厂类，扩展性稍差。
3. 适用场景：工厂方法模式适用于系统只需要一个产品的多种变体的场景，抽象方法模式适用于系统需要创建多个相关产品族的场景。

参考

《设计模式的艺术》