设计模式 — 工厂模式

女娲造人的故事

东汉《风俗通》 记录了一则神话故事： “开天辟地，未有人民，女娲捧黄土做人”，讲述的内容就是大家非常熟悉的女娲造人的故事。开天辟地之初。大地上并没有生物，只有苍茫大地，纯粹而洁净的自然环境，寂静而又寂寞，于是女娲决定创造一个新物种（即人类）来增加世界的繁荣，怎么制造呢？

别忘了女娲是神仙，没有办不到的事情，造人的过程是这样的：首先，女娲采集黄土捏成人的形状，然后放到八卦炉中烧制，最后放置到大地上生长，工艺过程是没有错的，但是意外随时都会发生：

	第一次烧泥人，感觉应该熟了，往大地上一放，哇，没烤熟！于是一个白人诞生了(这也是缺乏经验的最好证明)
	第二次烧泥人，上一次没烧熟，这次多烧一会儿，放到世间一看，嘿，熟过头了，于是黑人诞生了！
	第三次烤泥人，一边烧制一边察看，直到表皮微黄，嘿，真正好，于是黄色人种出现了！
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实例 一

这个造人过程是比较有意思的，是不是可以通过软件开发来实现这个过程呢？古人云：“三人行，必有我师焉”，在面向对象的思维种，万物皆对象，是对象我们就可以通过软件设计来实现。首先对造人过程进行分析，该过程涉及三个对象：女娲、八卦炉、三种不同肤色的人。女娲可以使用场景类Client来表示，八卦炉类似于一个工厂，负责制造生产产品（即人类），三种不同肤色的人，他们都是同一个接口下的不同实现类，都是人嘛，只是肤色、语言不同，对于八卦炉来说都是它生产出的产品。类图如下：

AbstractHumanFactory是一个抽象类，定义了一个八卦炉具有的整体功能，HumanFactory为实现类，完成具体的任务 — 创建人类；Human接口是人类的总称，其三个实现类分别为三类人种；NvWa类是一个场景类，负责模拟这个场景，执行相关任务。

我们定义的每个人种都有两个方法：getColor（获得人的皮肤颜色）和talk（交谈），其源代码如下

人类总称：

public interface Human {

    //每个人种的皮肤都有相应的颜色
    public void getColor();
    //人类会说话
    public void talk();
}
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接口Human是对人类的总称，每个人种都至少具有两个方法，黑色人种、黄色人种、白色人种的代码分别如下：

黑色人种：

public class BlackHuman implements Human{
    @Override
    public void getColor() {
        System.out.println("黑色人种的皮肤颜色是黑色的！");
    }

    @Override
    public void talk() {
        System.out.println("黑色人说话，一般人听不懂。");
    }
}
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黄色人种：

public class YellowHuman implements Human{
    @Override
    public void getColor() {
        System.out.println("黄色人种的皮肤颜色是黄色的！");
    }

    @Override
    public void talk() {
        System.out.println("黄色人说话，一般人说的都是双字节。");
    }
}
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白色人种：

public class WhiteHuman implements Human{
    @Override
    public void getColor() {
        System.out.println("白色人种的皮肤颜色是白色的！");
    }

    @Override
    public void talk() {
        System.out.println("白色人说话，一般人说的都是单字节。");
    }
}

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所有人种定义完毕，下一步就是定义一个八卦炉，然后烧制人类。我们想象一下，女娲最可能给八卦炉下达什么样的生产命令呢？应该是 “给我生产出一个黄色人种（YellowHuman类）”，而不是 “给我生产一个会走、会跑、会说话、皮肤是黄色的人种”，因为这样的命令增加了交流的成本，作为一个生产的管理者，只要知道生产什么就可以了，而不需要事物的具体信息。通过分析，我们发现八卦炉生产人类的方法输入参数类型应该是Human接口的实现类，这也解释了为什么类图上的AbstractHumanFactory抽象类中createHuman方法的参数为Class类型。其源代码如下：

抽象人类创建工厂

public abstract class AbstractHumanFactory {
    public abstract <T extends Human> T createHuman(Class<T> c);
}

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注意：我们在这里采用了泛型（Generic），通过定义泛型对createHuman的输入参数产生两层限制：

必须是Class类型；
必须是Human的实现类。
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其中的 “？” 表示的是，只要实现了Human接口的类都可以作为参数，泛型是JDK 1.5中的一个非常重要的新特性，它减少了对象间的转换，约束其输入参数类型，对Collection集合下的实现类都可以定义泛型

人类创建工厂：

public class HumanFactory extends AbstractHumanFactory{
    @Override
    public <T extends Human> T createHuman(Class<T> c) {
        //定义个生产的人种
        Human human = null;

        try{
            //产生一个人种
            human = (Human)Class.forName(c.getName()).newInstance();
        }catch (Exception e) {
            System.out.println("人种生产错误！");
        }


        return (T) human;
    }
}
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人种有了，八卦炉也有了，剩下的工作就是女娲采集黄土，然后命令八卦炉开始生产，其过程代码如下：
女娲类Client：

public class NvWa {

    public static void main(String[] args) {

        //声明阴阳八卦炉
        AbstractHumanFactory YinYangLu = new HumanFactory();

        //女娲第一次造人，火候不足，于是白人产生了
        System.out.println("--造出的第一批人是白色人种--");
        Human whiteHuman  = YinYangLu.createHuman(WhiteHuman.class);
        whiteHuman.getColor();
        whiteHuman.talk();

        //女娲第二次造人，火候过猛，于是黑人产生了
        System.out.println("--造出的第二批人是黑色人--");

        Human blackHuman  = YinYangLu.createHuman(BlackHuman.class);
        blackHuman.getColor();
        blackHuman.talk();

        //女娲第三次造人，火候刚刚好，于是黄色人种产生了
        System.out.println("--造出的第二批人是黄色人--");

        Human yellowHuman  = YinYangLu.createHuman(YellowHuman.class);
        yellowHuman.getColor();
        yellowHuman.talk();
    }
}
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人种有了，八卦炉有了，负责生产的女娲也有了，激动人心的时刻到来了，我们运行一下，结果如下所示：

	--造出的第一批人是白色人种--
	白色人种的皮肤颜色是白色的！
	白色人说话，一般人说的都是单字节。
	--造出的第二批人是黑色人--
	黑色人种的皮肤颜色是黑色的！
	黑色人说话，一般人听不懂。
	--造出的第二批人是黄色人--
	黄色人种的皮肤颜色是黄色的！
	黄色人说话，一般人说的都是双字节。
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哇，人类的生产过程就展现出来了！这个世界就热闹起来了，黑人、白人、黄人都可以运动了，这也正是我们现在的真实世界。以上就是工厂方法模式。

实例 二

工厂方法模式使用的频率非常高，在我们日常的开发中总能见到它的身影，其定义为：

定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪个类。工厂方法使一个类的实例化延迟到其子类。
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在工厂方法模式中，抽象产品类Product负责定义产品的共性，实现对事物最抽象的定义；Creator为抽象创建类，也就是抽象工厂，具体如何创建产品类是由具体的实现工厂ConreateCreator完成的。工厂方法模式的变种较多，我们来看一个比较实用的通用源码。

抽象产品类代码如下：

如上工厂方法模式通过类图

抽象产品类

public abstract class Product {
    //产品类的公共方法
    public void method1() {
        //业务逻辑处理
        System.out.println("产品类的公共方法。。。。");
    }

    //抽象方法
    public abstract void method2();
}
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具体的产品类可以有多个，都继承于抽象产品类，其源代码如下：

public class ConCreateProduct1 extends Product{
    @Override
    public void method2() {
        //业务逻辑处理
        System.out.println("业务逻辑一");
    }
}
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抽象工厂负责定义产品对象的产生，源代码如下：

public abstract class Creator {

    /**
     * 创建一个产品对象，其被输入参数类型可以自行设置
     * 通过为String、Enum、Class等，当然也可以为空
     * @param c
     * @return
     * @param 
     */
    public abstract <T extends Product> T createProduct(Class<T> c);
}
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具体如何产生一个产品的对象，是由具体的工厂类实现的，代码如下：

public class ConCreateCreator extends Creator{
    @Override
    public <T extends Product> T createProduct(Class<T> c) {
        Product product = null;

        try {
            product = (Product) Class.forName(c.getName()).newInstance();
        }catch (Exception e) {
            //异常处理
            e.printStackTrace();
        }
        return (T)product;
    }
}
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场景类的调用方法如下：

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        Creator creator = new ConCreateCreator();

        Product product = creator.createProduct(ConCreateProduct1.class);
        product.method1();

        /**
         * 继续业务处理
         */
    }
}
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该通用代码是一个比较实用、易扩展的框架，可以根据实际项目需要进行扩展。

工厂方法模式的应用

工厂方法模式的优点

首先，良好的封装性，代码结构清晰。一个对象创建时有条件约束的，如一个调用者需要一个具体的产品对象，只要知道这个产品的类名（或约束字符串）就可以了，不用知道创建对象的艰辛过程，降低模块间的耦合。

其次，**工厂方法模式的扩展性非常优秀。在增加产品类的情况下，只要适当地修改具体的工厂类或扩展一个工厂类，就可以完成“拥抱变化”。**例如在我们的例子中，增加一个棕色人种，则只需要增加一个BrownHuman类，工厂类不用任何修改就可完成系统扩展。

再次，屏蔽产品类。这一特点非常重要，产品类的实现如何变化，调用者都不需要关系，它只需要关系产品的接口，只要接口保持不变，系统中的上层模块就不要发生变化。因为产品类的实例化工作是由工厂类负责的，一个产品对象具体由哪一个产品生成是由工厂类决定的。在数据库开发中，大家应该能深刻体会到工厂方法模式的好处：如果使用JDBC连接数据库，数据库从MYSQL切换到Oracle，需要改动的地方就是切换一下驱动名称（前提条件是SQL语句是标准语句），其他的都不需要修改，这是工厂方法模式灵活性的一个直接案例

最后，工厂方法模式是典型的解耦框架。高层模块值需要知道产品的抽象类，其他的实现类都不用关系，符合迪米特法则，我不需要的就不要去交流；也符合依赖倒置原则，只依赖产品类的抽象；当然也符合里氏替换原则，使用产品子类替换产品父类，没问题！

工厂方法模式的使用场景

首先，工厂方法模式是new一个对象的替代品，所以在所有需要生成对象的地方都可以使用，但是需要慎重地考虑是否要增加一个工厂类进行管理，增加代码的复杂度。

其次，需要灵活的、可扩展的框架时，可以考虑采用工厂方法模式。万物皆对象，那万物也就皆产品类。例如需要设计一个连接邮件服务器的框架，有三种网络协议可供选择：POP3、IMAP、HTTP，我们就可以把这三种连接方法作为产品类，定义一个接口为IConnectMail，然后定义对邮件的操作方法，用不同的方法实现三个具体的产品类（也就是连接方式）再定义一个工厂方法，按照不同的传入条件，选择不同的连接方法。如此设计，可以做到完成的扩展，如某些邮件服务器提供了WebService接口，很好，我们只要增加一个产品类就可以了。

再次，工厂方法模式可以用在异构项目中，例如通过WebService与一个非Java的项目交互，虽然WebService号称是可以做到异构系统的同构化，但是在实际的开发中，还是会碰到很多问题，如类型问题、WSDL文件的支持问题，等等。从WSDL中产生的对象都认为是一个产品，然后由一个具体的工厂类进行管理，减少与外围系统的耦合。

工厂方法模式的扩展

工厂方法模式有很多扩展，而且与其他模式结合使用威力更大，下面介绍4种扩展

1. 缩小为简单工厂模式

我们这样考虑一个问题：一个模块仅需要一个工厂类，没有必要把它产生出来，使用静态的方法就可以了，根据这一要求，把上例中的AbstarctHumanFactory修改一下，类图如下所示：
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我们在类图中去掉了AbstractHumanFactory抽象类，同时把createHuman方法设置为静态类型，简化了类的创建过程，变更代码仅仅是HumanFactory和NvWa类，HumanFactory如下代码

public class HumanFactory1{


    public static  <T extends Human> T createHuman(Class<T> c) {
        //定义个生产的人种
        Human human = null;

        try{
            //产生一个人种
            human = (Human)Class.forName(c.getName()).newInstance();
        }catch (Exception e) {
            System.out.println("人种生产错误！");
        }


        return (T) human;
    }
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HumanFactory1类仅有两个地方发生变化：去掉继承抽象类，并在createHuman前增加static关键字；工厂类发生变化，也同时引起了调用者NvWa的变化，代码如下：

简单工厂模式中的场景类：

public class NvWa1 {

    public static void main(String[] args) {



        //女娲第一次造人，火候不足，于是白人产生了
        System.out.println("--造出的第一批人是白色人种--");
        Human whiteHuman  = HumanFactory1.createHuman(WhiteHuman.class);
        whiteHuman.getColor();
        whiteHuman.talk();

        //女娲第二次造人，火候过猛，于是黑人产生了
        System.out.println("--造出的第二批人是黑色人--");

        Human blackHuman  = HumanFactory1.createHuman(BlackHuman.class);
        blackHuman.getColor();
        blackHuman.talk();

        //女娲第三次造人，火候刚刚好，于是黄色人种产生了
        System.out.println("--造出的第二批人是黄色人--");

        Human yellowHuman  = HumanFactory1.createHuman(YellowHuman.class);
        yellowHuman.getColor();
        yellowHuman.talk();
    }
}

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运行结果没有发生变化，但是我们的类图变简单了，而且调用者也比较简单，该模式是工厂方法模式的弱化，因为简单，所以称为简单工厂模式 (Simple Factory Pattern) ，也叫做静态工厂模式。在实际项目中，采用该方法的案例还是比较多的，其缺点是工厂类的扩展比较困难，不符合开闭原则，但它仍然是一个非常实用的设计模式。

2. 升级为多个工厂类

当我们在做一个比较复杂的项目时，经常会遇到初始化一个对象比较耗费精力的情况，所有产品类都放到一个工厂方法中进行初始化会使代码结构不清晰。例如，一个产品类有5个具体实体，每个实现类的初始化 （不仅仅是new，初始化包括new一个对象，并对对象设置一定的初始值） 方法都不相同，如果写在一个工厂方法中，势必会导致该方法巨大无比，那该怎么办？

考虑到需要结构清晰，我们就为每个产品定义一个创造者，然后由调用者自己去选择与哪个工厂方法关联。我们还是以女娲造人为例，每个人种都有一个固定的八卦炉，分别造出黑色人种、白色人种、黄色人种，修改后的类图如下所示：

每个人种（具体的产品类）都对应了一个创建者，每个创建者都独立负责创建对应的产品对象，非常符合单一职责原则，按照这种模式我们来看看代码变化。

实现类如下：

public class BlackHuman implements Human {
    @Override
    public void getColor() {
        System.out.println("黑色人种的皮肤颜色是黑色的！");
    }

    @Override
    public void talk() {
        System.out.println("黑色人说话，一般人听不懂。");
    }
}

public class WhiteHuman implements Human {
    @Override
    public void getColor() {
        System.out.println("白色人种的皮肤颜色是白色的！");
    }

    @Override
    public void talk() {
        System.out.println("白色人说话，一般人说的都是单字节。");
    }
}

public class YellowHuman implements Human {
    @Override
    public void getColor() {
        System.out.println("黄色人种的皮肤颜色是黄色的！");
    }

    @Override
    public void talk() {
        System.out.println("黄色人说话，一般人说的都是双字节。");
    }
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多工厂模式的抽象工厂类代码如下：

public abstract class AbstractHumanFactory {
    public abstract Human createHuman();
}
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注意：抽象方法中已经不再需要传递相关参数了，因为每一个具体的工厂都已经非常明确自己的职责：创建自己负责的产品类对象。

黑色人种的创建工厂代码如下：

public class BlackHumanFactory extends AbstractHumanFactory{
    @Override
    public Human createHuman() {
        return new BlackHuman();
    }
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黄色人种的创建工厂代码如下：

public class YellowHumanFactory extends AbstractHumanFactory{
    @Override
    public Human createHuman() {
        return new YellowHuman();
    }
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白色人种的创建工厂代码如下：

白色人种的创建类

public class WhiteHumanFactory extends AbstractHumanFactory{
    @Override
    public Human createHuman() {
        return new WhiteHuman();
    }
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三个具体的创建工厂都非常简单，但是，如果一个系统比较复杂时工厂类也会相应地变复杂，场景类NvWa修改后的代码如下：

public class NvWa {

    public static void main(String[] args) {

        //女娲第一次造人，火候不足，于是白人产生了
        System.out.println("--造出的第一批人是白色人种--");
        Human whiteHuman  = (new WhiteHumanFactory()).createHuman();
        whiteHuman.getColor();
        whiteHuman.talk();

        //女娲第二次造人，火候过猛，于是黑人产生了
        System.out.println("--造出的第二批人是黑色人--");

        Human blackHuman  = (new BlackHumanFactory()).createHuman();
        blackHuman.getColor();
        blackHuman.talk();

        //女娲第三次造人，火候刚刚好，于是黄色人种产生了
        System.out.println("--造出的第二批人是黄色人--");

        Human yellowHuman  = (new YellowHumanFactory()).createHuman();
        yellowHuman.getColor();
        yellowHuman.talk();
    }
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运行结果：

--造出的第一批人是白色人种--
白色人种的皮肤颜色是白色的！
白色人说话，一般人说的都是单字节。
--造出的第二批人是黑色人--
黑色人种的皮肤颜色是黑色的！
黑色人说话，一般人听不懂。
--造出的第二批人是黄色人--
黄色人种的皮肤颜色是黄色的！
黄色人说话，一般人说的都是双字节。
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运行结果还是相同。我们回顾一下，每一个产品类都对应了一个创建类，好处就是创建类的职责清晰，而且结构简单，但是给可扩展性和可维护性带来了一定的影响。为什么这么说呢？如果要扩展一个产品类，就需要建立一个相应的工厂类，这样就增加了扩展的难度。因为工厂类和产品类的数量相同，维护时需要考虑两个对象之间的关系。

当然，在复杂的应用中一般采用工厂的方法，然后再增加一个协调类，避免调用者与各个子工厂交流，协调类的作用是封装子工厂类，对高层模块提供统一的访问接口。

3. 替代单例模式

单例模式的核心要求就是在内存中只有一个对象，通过工厂方法模式也可以只在内存中生产一个对象

非常简单的类图，Singleton定义了一个private的无参构造函数，目的是不允许通过new的方式创建一个对象，代码如下：

public class Singleton {
    
    //不允许通过new产生一个对象
    private Singleton() {}
    
    public void doSomething(){
        //业务处理
    }
}
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Singleton保证不能通过正常的渠道建立一个对象，那SingletonFactory如何建立一个单例对象呢？答案是通过反射方式创建，如代码清单如下：

负责生成单例的工厂类

public class SingletonFactory {

    private static Singleton singleton;

    static {
        try {
            Class aClass = Class.forName(Singleton.class.getName());

            //获得无参构造函数
            Constructor constructor = aClass.getDeclaredConstructor();

            //设置无参构造是可访问的
            constructor.setAccessible(true);

            //产生一个实例
            singleton = (Singleton) constructor.newInstance();
        }catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    public static Singleton getSingleton() {
        return singleton;
    }
}
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通过获得类构造器，然后设置访问权限，生成一个对象，然后提供外部访问，保证内存中的对象唯一。当然，其他类也可以通过反射的方式建立一个单例对象，确实如此，但是一个项目或团队是有章程和规范的，何况已经提供了一个获得单例对象的方法，为什么还要重新创建一个新对象呢？除非是有人作恶。

以上通过工厂方法模式创建了一个单例对象，该框架可以继续扩展，在项目中可以产生一个单例构造器，所有需要产生单例的类都遵循一定的规则（构造方法是private），然后通过扩展该框架，只要输入一个类型就可以获得唯一的一个实例。

4. 延迟初始化

何为延迟初始化（Lazy initialization）？一个对象被消费完毕后，并不立刻释放，工厂类保持其初始状态，等待再次被使用。延迟初始化是工厂方法模式的一个扩展应用，其通过类图如下：

ProductFactory负责产品类对象的创建工作，并且通过prMap变量产生一个缓存，对需要再次被重用的对象保留。ProductFactory代码如下：

延迟加载的工厂类

public class ProductFactory {
    
    private static final Map<String,Product> prMap = new HashMap();
    
    public static synchronized Product createProduct(String type) throws Exception {
        Product product = null;
        
        //如果Map中已经有这个对象
        if(prMap.containsKey(type)) {
            product = prMap.get(type);
        } else {
            if(type.equals("Product1")) {
                product = new ConCreateProduct1();
            } else {
                product = new ConCreateProduct2();
                //同时把对象放到缓存容器中
                prMap.put(type,product);
            }
        }
        return product;
    }
    
}
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Client场景类如下：

public class Client {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Creator creator = new ConCreateCreator();

        Product product = creator.createProduct(ConCreateProduct1.class);
        product.method1();

        /**
         * 继续业务处理
         */
        Product product1 = ProductFactory.createProduct("Product1");
        product1.method2();
    }
}
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运行结果：

产品类的公共方法。。。。
业务逻辑一
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通过定义一个Map容器，容纳所有产生的对象，如果在Map容器中已经有的对象，则直接取出返回；如果没有，则根据需要的类型产生一个对象并放入到Map容器中，以方便下次调用。

延迟加载框架是可以扩展的，例如限制某一个产品类的最大实例化数量，可以通过判断Map中已有的对象数量来实现，这样的处理是非常有意义的，例如JDBC连接数据库，都会要求设置一个MaxConnection最大连接数量，该数量就是内存中最大实例化的数量。

延迟加载还可以用在对象初始化比较复杂的情况下，例如硬件访问，涉及多方面的交互，则可以通过延迟加载降低对象的产生和销毁带来的复杂性。

工厂方法模式在项目中使用得非常频繁，以至于很多代码中都包含工厂方法模式。工厂方法模式还可以与其他模式混合使用（例如模板方法模式、单例模式、原型模式等）。

设计模式 — 抽象工厂模式