創建型模式應用實驗

創建型模式(Creational Pattern)的主要特點是將對象的創建與使用分離，根據對象的創建與組合方式的不同，創建型模式可分為單例(Singleton)模式、原型(Prototype)模式、工廠方法(Factory Method)模式、抽象工廠(Abstract Factory)模式和建造者(Builder)模式 5 種。

本實驗的主要目的如下。

⒈了解 5 種“創建型模式”的定義、特點和工作原理。

⒉理解 5 種“創建型模式”的結構、實現和應用場景。

⒊學會應用 5 種“創建型模式”進行軟件開發。

實驗原理

⒈創建型模式的工作原理

創建型模式隱藏了對象的創建細節，對象的創建由相關的工廠來完成，使用者不需要關注對象的創建細節，這樣可以降低系統的耦合度。創建型模式共 5 種，它們分別是單例模式、原型模式、工廠方法模式、抽象工廠模式和建造者模式，其工作原理在各自的教程中也都有詳細的介紹，每種模式的實驗大概要花 2 個學時，大家可以根據實驗計劃來選做若干個實驗，下面以工廠方法模式為例，介紹其實驗過程。

⒉工廠方法模式的工作原理

工廠方法模式(Factory Method Pattern)，也叫虛擬構造器(Virtual Constructor)模式或者多態工廠(Polymorphic Factory)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。其結構圖如圖 1 所示。

圖1 工廠方法模式的類圖

工廠方法模式包含如下角色。

? 抽象工廠(Abstract Factory)：提供了創建產品的接口，調用者通過它訪問具體工廠的工廠方法 newProduct() 來創建產品。

? 具體工廠(ConcreteFactory)：主要是實現抽象工廠中的抽象方法，完成具體產品的創建。

? 抽象產品(Product)：定義了產品的規范，描述了產品的主要特性和功能。

? 具體產品(ConcreteProduct)：實現了抽象產品角色所定義的接口，由具體工廠來創建，它同具體工廠之間一一對應。

工廠方法模式的特點是當系統擴展需要添加新的產品對象時，僅僅需要添加一個具體產品對象以及一個具體工廠對象，原有工廠對象不需要進行任何修改，也不需要修改客戶端，很好地符合了“開閉原則”。

實驗內容

⒈ 用工廠方法模式設計一個電動自行車工廠的模擬程序。

要求：要為每種品牌的電動自行車提供一個子工廠，如愛瑪工廠專門負責生產愛瑪(Aima)牌電動自行車，雅迪工廠專門負責生產雅迪(Yadea)牌電動自行車。如果今后需要生產臺鈴(Tailg)牌電動自行車，只需要增加一個新的臺鈴電動自行車工廠即可，無須修改原有代碼，使得整個系統具有更強的靈活性和可擴展性。(點此下載程序運行后所要顯示的圖片)。

⒉按照以上要求設計類圖和編寫 Java 源程序。

實驗要求

所設計的實驗程序要滿足以下兩點。

⒈體現“工廠方法模式”的工作原理。

⒉符合面向對象中的“開閉原則”。

實驗步驟

⒈用 UML 設計“電動自行車工廠模擬程序”的結構圖。“電動自行車工廠模擬程序”的結構圖如圖 2 所示。

圖2 電動自行車工廠模擬程序的結構圖

⒉根據結構圖寫出“電動自行車工廠模擬程序”的源代碼。

① 電動自行車工廠模擬程序的源代碼如下。

package FactoryMethod;
import java.awt.*;
import javax.swing.*;
public class BicycleFactoryTest
{
    public static void main(String[] args)
    {
        try
        {
            Bicycle a;
            BicycleFactory bf;
            bf=(BicycleFactory) ReadXML.getObject();
            a=bf.produce();
            a.show();
        }
        catch(Exception e)
        {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}
//抽象產品：自行車
interface Bicycle
{
    public void show();
}
//具體產品：愛瑪自行車
class AimaBicycle implements Bicycle
{
    JScrollPane sp;
    JFrame jf=new JFrame("工廠方法模式測試");
    public AimaBicycle()
    {       
        JPanel p1=new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1,1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("愛瑪自行車"));
        JLabel l1=new JLabel(new ImageIcon("src/FactoryMethod/AIMABicycle.jpg"));
        p1.add(l1);       
        sp=new JScrollPane(p1);
        Container contentPane=jf.getContentPane();
        contentPane.add(sp,BorderLayout.CENTER);               
        jf.pack();       
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);    //用戶點擊窗口關閉 
    }
    public void show()
    {
        jf.setVisible(true);
    }
}
//具體產品：雅迪自行車
class YadeaBicycle implements Bicycle
{
    JScrollPane sp;
    JFrame jf=new JFrame("工廠方法模式測試");
    public YadeaBicycle()
    {       
        JPanel p1=new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1,1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("雅迪自行車"));
        JLabel l1=new JLabel(new ImageIcon("src/FactoryMethod/YadeaBicycle.jpg"));
        p1.add(l1);   
        Container contentPane=jf.getContentPane();
        sp=new JScrollPane(p1);       
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);       
        jf.pack();       
        jf.setVisible(false);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);    //用戶點擊窗口關閉 
    }
    public void show()
    {
        jf.setVisible(true);
    }
}
//抽象工廠：自行車工廠
interface BicycleFactory
{
    public Bicycle produce();
}
//具體工廠：愛瑪工廠
class AimaFactory implements BicycleFactory
{
    public Bicycle produce()
    {
        System.out.println("愛瑪自行車生產了！");
        return new AimaBicycle();
    }
}
//具體工廠：雅迪工廠
class YadeaFactory implements BicycleFactory
{
    public Bicycle produce()
    {
        System.out.println("雅迪自行車生產了！");
        return new YadeaBicycle();
    }
}

② 對象生成器的源代碼如下。

package FactoryMethod;
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import java.io.*;
class ReadXML
{
    public static Object getObject()
    {
        try
        {
            DocumentBuilderFactory dFactory=DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder=dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;                           
            doc=builder.parse(new File("src/FactoryMethod/config.xml"));
            NodeList nl=doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();
            String cName="FactoryMethod."+classNode.getNodeValue();
            System.out.println("新類名："+cName);
            Class c=Class.forName(cName);
              Object obj=c.newInstance();
            return obj;
        }  
        catch(Exception e)
        {
               e.printStackTrace();
               return null;
        }
    }
}

③XML 配置文件的代碼如下。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<config>
    <className>AimaFactory</className>
</config>

⒊上機測試程序，寫出運行結果。

“電動自行車工廠模擬程序”的運行結果如圖 3 所示。

圖3 電動自行車工廠模擬程序的運行結果

⒋按同樣的步驟設計其他“創建型模式”的程序實例。

⒌寫出實驗心得。