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创建型模式应用实验

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创建型模式(Creational Pattern)的主要特点是将对象的创建与使用分离,根据对象的创建与组合方式的不同,创建型模式可分为单例(Singleton)模式原型(Prototype)模式工厂方法(Factory Method)模式抽象工厂(Abstract Factory)模式建造者(Builder)模式 5 种。

本实验的主要目的如下。
  1. 了解 5 种“创建型模式”的定义、特点和工作原理。
  2. 理解 5 种“创建型模式”的结构、实现和应用场景。
  3. 学会应用 5 种“创建型模式”进行软件开发。

实验原理

1. 创建型模式的工作原理

创建型模式隐藏了对象的创建细节,对象的创建由相关的工厂来完成,使用者不需要关注对象的创建细节,这样可以降低系统的耦合度。

创建型模式共 5 种,它们分别是单例模式原型模式工厂方法模式抽象工厂模式建造者模式,其工作原理在各自的教程中也都有详细的介绍,每种模式的实验大概要花 2 个学时,大家可以根据实验计划来选做若干个实验,下面以工厂方法模式为例,介绍其实验过程。

2. 工厂方法模式的工作原理

工厂方法模式(Factory Method Pattern),也叫虚拟构造器(Virtual Constructor)模式或者多态工厂(Polymorphic Factory)模式。

在工厂方法模式中,工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口,而工厂子类则负责生成具体的产品对象,这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成。其结构图如图 1 所示。

工厂方法模式的类图
图1 工厂方法模式的类图

工厂方法模式包含如下角色。
  • 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 newProduct() 来创建产品。
  • 具体工厂(Concrete Factory):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(Concrete Product):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。

工厂方法模式的特点是当系统扩展需要添加新的产品对象时,仅仅需要添加一个具体产品对象以及一个具体工厂对象,原有工厂对象不需要进行任何修改,也不需要修改客户端,很好地符合了“开闭原则”。

实验内容

(1) 用工厂方法模式设计一个电动自行车工厂的模拟程序。

要求:要为每种品牌的电动自行车提供一个子工厂,如爱玛工厂专门负责生产爱玛(Aima)牌电动自行车,雅迪工厂专门负责生产雅迪(Yadea)牌电动自行车。如果今后需要生产台铃(Tailg)牌电动自行车,只需要增加一个新的台铃电动自行车工厂即可,无须修改原有代码,使得整个系统具有更强的灵活性和可扩展性。(点此下载程序运行后所要显示的图片)。

(2) 按照以上要求设计类图和编写 Java 源程序。

实验要求

所设计的实验程序要满足以下两点。
  1. 体现“工厂方法模式”的工作原理。
  2. 符合面向对象中的“开闭原则”。

实验步骤

(1) 用 UML 设计“电动自行车工厂模拟程序”的结构图。“电动自行车工厂模拟程序”的结构图如图 2 所示。

电动自行车工厂模拟程序的结构图
图2 电动自行车工厂模拟程序的结构图

(2) 根据结构图写出“电动自行车工厂模拟程序”的源代码。

① 电动自行车工厂模拟程序的源代码如下。
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());
        }
    }
}

//抽象产品:自行车
interface Bicycle {
    public void show();
}

//具体产品:爱玛自行车
class AimaBicycle implements Bicycle {
    JScrollPane sp;
    JFrame jf = new JFrame("工厂方法模式测试");

    public AimaBicycle() {
        JPanel p1 = new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("爱玛自行车"));
        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);    //用户点击窗口关闭
    }

    public void show() {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//具体产品:雅迪自行车
class YadeaBicycle implements Bicycle {
    JScrollPane sp;
    JFrame jf = new JFrame("工厂方法模式测试");

    public YadeaBicycle() {
        JPanel p1 = new JPanel();
        p1.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p1.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("雅迪自行车"));
        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);    //用户点击窗口关闭
    }

    public void show() {
        jf.setVisible(true);
    }
}

//抽象工厂:自行车工厂
interface BicycleFactory {
    public Bicycle produce();
}

//具体工厂:爱玛工厂
class AimaFactory implements BicycleFactory {
    public Bicycle produce() {
        System.out.println("爱玛自行车生产了!");
        return new AimaBicycle();
    }
}

//具体工厂:雅迪工厂
class YadeaFactory implements BicycleFactory {
    public Bicycle produce() {
        System.out.println("雅迪自行车生产了!");
        return new YadeaBicycle();
    }
}
② 对象生成器的源代码如下。
package FactoryMethod;

import org.w3c.dom.Document;
import org.w3c.dom.Node;
import org.w3c.dom.NodeList;

import javax.xml.parsers.DocumentBuilder;
import javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory;
import java.io.File;

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("新类名:" + cName);
            Class<?> c = Class.forName(cName);
            Object obj = c.newInstance();
            return obj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}
③XML 配置文件的代码如下。
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<config>
    <className>AimaFactory</className>
</config>
(3) 上机测试程序,查看运行结果。

“电动自行车工厂模拟程序”的运行结果如图 3 所示。

电动自行车工厂模拟程序的运行结果
图3 电动自行车工厂模拟程序的运行结果

(4) 按同样的步骤设计其他“创建型模式”的程序实例。

(5) 写出实验心得。
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