工厂模式进阶用法，如何动态选择对象？

前言

工厂设计模式可能是最常用的设计模式之一，我想大家在自己的项目中都用到过。可能你会不屑一顾，但这篇文章不仅仅是关于工厂模式的基本知识，更是讨论如何在运行时动态选择不同的方法进行执行，你们可以看看是不是和你们项目中用的一样？

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小菜鸟的问题

直接上例子说明，设计一个日志记录的功能，但是支持记录到不同的地方，例如：

  • 内存中
  • 磁盘上的文件
  • 数据库
  • 百度网盘等远程存储服务

面对这么一个需求，你会怎么做呢？我们先来看看小菜鸟的做法吧。

  1. 小菜鸟创建了一个Logger类
class Logger {
    public void log(String message, String loggerMedium) {}
}
  1. 小菜鸟想都不想，直接一通if else。
class Logger {
    public void log(String message, String loggerMedium) {
        if (loggerMedium.equals("MEMORY")) {
            logInMemory(message);
        } else if (loggerMedium.equals("FILE")) {
            logOnFile(message);
        } else if (loggerMedium.equals("DB")) {
            logToDB(message);
        } else if (loggerMedium.equals("REMOTE_SERVICE")) {
            logToRemote(message);
        }
    }

    private void logInMemory(String message) {
        // Implementation
    }

    private void logOnFile(String message) {
        // Implementation
    }

    private void logToDB(String message) {
        // Implementation
    }

    private void logToRemote(String message) {
        // Implementation
    }
}

现在突然说要增加一种存储介质FLASH_DRIVE，就要改了这个类？不拍改错吗？也不符合“开闭原则”，而且随着存储介质变多，类也会变的很大，小菜鸟懵逼了，不知道怎么办？

有没有更好的方法呢？

这时候小菜鸟去找你帮忙，你一顿操作，改成了下面这样：

class InMemoryLog {
    public void logToMemory(String message) {
        // Implementation
    }
}

class FileLog {
    public void logToFile(String message) {
        //Implementation
    }
}

class DBLog {
    public void logToDB(String message) {
        // Implementation
    }
}

class RemoteServiceLog {
    public void logToService(String message) {
        // Implementation
    }
}

class Logger {
    private InMemoryLog mLog;
    private FileLog fLog;
    private DBLog dbLog;
    private RemoteServiceLog sLog;
    
    public Logger() {
        mLog = new InMemoryLog();
        fLog = new FileLog();
        dbLog = new DBLog();
        sLog = new RemoteServiceLog();
    }

    public void log(String message, String loggerMedium) {
        if (loggerMedium.equals("MEMORY")) {
            mLog.logToMemory(message);
        } else if (loggerMedium.equals("FILE")) {
            fLog.logToFile(message);
        } else if (loggerMedium.equals("DB")) {
            dbLog.logToDB(message);
        } else if (loggerMedium.equals("REMOTE_SERVICE")) {
            sLog.logToService(message);
        }
    }
}

在这个实现中，你已经将单独的代码分离到它们对应的文件中，但是Logger​类与存储介质的具体实现紧密耦合，如FileLog、DBLog​等。随着存储介质的增加，类中将引入更多的实例Logger。

还有什么更好的办法吗？

你想了想，上面的实现都是直接写具体的实现类，是面向实现编程，更合理的做法是面向接口编程，接口意味着协议，契约，是一种更加稳定的方式。

  1. 定义一个日志操作的接口
public interface LoggingOperation {
    void log(String message);
}
  1. 实现这个接口
class InMemoryLog implements LoggingOperation {
    public void log(String message) {
        // Implementation
    }
}

class FileLog implements LoggingOperation {
    public void log(String message) {
        //Implementation
    }
}

class DBLog implements LoggingOperation {
    public void log(String message) {
        // Implementation
    }
}

class RemoteServiceLog implements LoggingOperation {
    public void log(String message) {
        // Implementation
    }
}
  1. 你定义了一个类，根据传递的参数，在运行时动态选择具体实现，这就是所谓的工厂类，不过是基础版。
class LoggerFactory {
    public static LoggingOperation getInstance(String loggerMedium) {
        LoggingOperation op = null;
        switch (loggerMedium) {
            case "MEMORY":
                op = new InMemoryLog();
                break;
            case "FILE":
                op = new FileLog();
                break;
            case "DB":
                op = new DBLog();
                break;
            case "REMOTE_SERVICE":
                op = new RemoteServiceLog();
                break;
        }

        return op;
    }
}
  1. 现在你的 Logger类的实现就是下面这个样子了。
class Logger {
    public void log(String message, String loggerMedium) {
        LoggingOperation instance = LoggerFactory.getInstance(loggerMedium);
        instance.log(message);
    }
}

这里的代码变得非常统一，创建实际存储实例的责任已经转移到LoggerFactory​，各个存储类只实现它们如何将消息记录到它们的特定介质，最后该类Logger​只关心通过LoggerFactory​将实际的日志记录委托给具体的实现。这样，代码就很松耦合了。你想要添加一个新的存储介质，例如FLASH_DRIVE​，只需创建一个实现LoggingOperation​接口的新类并将其注册到LoggerFactory中就好了。这就是工厂模式可以帮助您动态选择实现的方式。

还能做得更好吗？

你已经完成了一个松耦合的设计，但是想象一下假如有数百个存储介质的场景，所以我们最终会在工厂类LoggerFactory​中的switch case​部分case数百个。这看起来还是很糟糕，如果管理不当，它有可能成为技术债务，这该怎么办呢？

摆脱不断增长的if else​或者 switch case​的一种方法是维护类中所有实现类的列表，LoggerFactory代码如下所示：

class LoggerFactory {
    private static final List instances = new ArrayList<>();

    static {
        instances.addAll(Arrays.asList(
                new InMemoryLog(),
                new FileLog(),
                new DBLog(),
                new RemoteServiceLog()
        ));
    }

    public static LoggingOperation getInstance(ApplicationContext context, String loggerMedium) {
        for(LoggingOperation op : instances) {
            // 比如判断StrUtil.equals(loggerMedium, op.getType()) op本身添加一个type
        }

        return null;
    }
}

但是请注意，还不够，在所有上述实现中，无论if else、switch case​ 还是上面的做法，都是让存储实现与LoggerFactory​紧密耦合的。你添加一种实现，就要修改LoggerFactory,有什么更好的做法吗？

逆向思维一下，我们是不是让具体的实现主动注册上来呢？通过这种方式，工厂不需要知道系统中有哪些实例可用，而是实例本身会注册并且如果它们在系统中可用，工厂就会为它们提供服务。具体代码如下：

class LoggerFactory {
    private static final Map instances = new HashMap<>();

    public static void register(String loggerMedium, LoggingOperation instance) {
        if (loggerMedium != null && instance != null) {
            instances.put(loggerMedium, instance);
        }
    }

    public static LoggingOperation getInstance(String loggerMedium) {
        if (instances.containsKey(loggerMedium)) {
            return instances.get(loggerMedium);
        }
        return null;
    }
}

在这里，LoggerFactory​提供了一个register​注册的方法，具体的存储实现可以调用该方法注册上来，保存在工厂的instancesmap对象中。

我们来看看具体的存储实现注册的代码如下：

class RemoteServiceLog implements LoggingOperation {
    static {
        LoggerFactory.register("REMOTE", new RemoteServiceLog());
    }

    public void log(String message) {
        // Implementation
    }
}

由于注册应该只发生一次，所以它发生在static类加载器加载存储类时的块中。

但是又有一个问题，默认情况下JVM不加载类RemoteServiceLog，除非它由应用程序在外部实例化或调用。因此，尽管存储类有注册的代码，但实际上注册并不会发生，因为没有被JVM加载，不会调用static代码块中的代码， 你又犯难了。

你灵机一动，LoggerFactory是获取存储实例的入口点，能否在这个类上做点文章，就写下了下面的代码：

class LoggerFactory {
    private static final Map instances = new HashMap<>();

    static {
        try {
            loadClasses(LoggerFactory.class.getClassLoader(), "com.alvin.storage.impl");
        } catch (Exception e) {
            // log or throw exception.
        }
    }

    public static void register(String loggerMedium, LoggingOperation instance) {
        if (loggerMedium != null && instance != null) {
            instances.put(loggerMedium, instance);
        }
    }

    public static LoggingOperation getInstance(String loggerMedium) {
        if (instances.containsKey(loggerMedium)) {
            return instances.get(loggerMedium);
        }
        return null;
    }

    private static void loadClasses(ClassLoader cl, String packagePath) throws Exception {

        String dottedPackage = packagePath.replaceAll("[/]", ".");

        URL upackage = cl.getResource(packagePath);
        URLConnection conn = upackage.openConnection();

        String rr = IOUtils.toString(conn.getInputStream(), "UTF-8");

        if (rr != null) {
            String[] paths = rr.split("\n");

            for (String p : paths) {
                if (p.endsWith(".class")) {
                    Class.forName(dottedPackage + "." + p.substring(0, p.lastIndexOf('.')));
                }

            }
        }
    }
}

在上面的实现中，你使用了一个名为loadClasses​的方法，该方法扫描提供的包名称com.alvin.storage.impl​并将驻留在该目录中的所有类加载到类加载器。以这种方式，当类加载时，它们的static​块被初始化并且它们将自己注册到LoggerFactory中。

如何在 SpringBoot 中实现此技术？

你突然发现你的是springboot应用，突然想到有更方便的解决方案。

因为你的存储实现类都被标记上注解@Component​，这样 Spring​ 会在应用程序启动时自动加载类，它们会自行注册，在这种情况下你不需要使用loadClasses​功能，Spring 会负责加载类。具体的代码实现如下：

class LoggerFactory {
    private static final Map> instances = new HashMap<>();

    public static void register(String loggerMedium, Class instance) {
        if (loggerMedium != null && instance != null) {
            instances.put(loggerMedium, instance);
        }
    }

    public static LoggingOperation getInstance(ApplicationContext context, String loggerMedium) {
        if (instances.containsKey(loggerMedium)) {
            return context.getBean(instances.get(loggerMedium));
        }
        return null;
    }
}

getInstance​需要传入ApplicationContext对象，这样就可以根据类型获取具体的实现了。

修改所有存储实现类，如下所示：

import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
class RemoteServiceLog implements LoggingOperation {
    static {
        LoggerFactory.register("REMOTE", RemoteServiceLog.class);
    }

    public void log(String message) {
        // Implementation
    }
}

总结

我们通过一个例子，不断迭代带大家理解了工厂模式，工厂模式是一种创建型设计模式，用于创建同一类型的不同实现对象。我们来总结下这种动态选择对象工厂模式的优缺点。

优点：

  • 容易管理。在添加新的存储类时，只需将该类放入特定包中，在static代码块中注册它自己到工厂中。
  • 松耦合，当您添加新的存储实现时，您不需要在工厂类中进行任何更改。
  • 遵循SOLID编程原则。

缺点：

  • 如果是用原生通过类加载的方式，代价比较大，因为它涉及 I/O 操作。但是如果使用的是SpringBoot，则无需担心，因为框架本身会调用组件。
  • 需要额外编写一个static块，注册自己到工厂中，一不小心就遗漏了。

当前文章：工厂模式进阶用法，如何动态选择对象？
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