Factory Method Pattern
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#low level design
#design pattern
#creational pattern
類型：Creational Pattern 別名：Virtual Constructor（虛擬建構子）
💡 1. 定義（Definition）
Factory Method Pattern 定義一個建立物件的介面， 但讓子類別決定實際要建立哪一個類別。
✅ 換句話說：「把 new 的決定權延後到子類別。」
它解決的問題是：
當一個類別無法預先知道要建立哪一種具體物件時， 將物件建立的責任交給子類別或外部工廠。
🎯 2. 問題背景（Problem Statement）
假設你要設計一個文件轉換系統：
PDFConverter
WordConverter
ExcelConverter
如果你在主程式裡直接：
if file_type == "pdf":
return PDFConverter()
elif file_type == "word":
return WordConverter()
🔻 問題是：
- 每增加一個新格式都得改程式碼（違反 開放封閉原則 OCP）。
- 主程式與具體類別強耦合。
👉 解法： 將物件建立的邏輯封裝在「工廠方法」中。
⚙️ 3. 解決方案（Solution）
定義一個抽象的「Creator」類別， 其中包含一個抽象方法 create_product()， 子類別負責實際建立不同的產品（Product）。
🧱 4. 結構與角色（Structure & Participants）
| 角色 | 職責 |
|---|---|
| Product (產品介面) | 定義所有產品的共同介面 |
| ConcreteProduct (具體產品) | 各種具體實作類別 |
| Creator (工廠介面) | 定義抽象工廠方法 create_product() |
| ConcreteCreator (具體工廠) | 實作工廠方法，建立對應產品 |
classDiagram
class Creator {
+create_product() Product
+operation()
}
class ConcreteCreatorA {
+create_product() ProductA
}
class Product {
<<interface>>
+use()
}
class ConcreteProductA {
+use()
}
Creator <|-- ConcreteCreatorA
Product <|-- ConcreteProductA
Creator --> Product
🧩 5. 程式碼範例（Python）
from abc import ABC, abstractmethod
# === Product ===
class Document(ABC):
@abstractmethod
def open(self):
pass
class PDFDocument(Document):
def open(self):
return "Opening PDF file..."
class WordDocument(Document):
def open(self):
return "Opening Word file..."
# === Creator ===
class DocumentCreator(ABC):
@abstractmethod
def create_document(self) -> Document:
pass
def open_file(self):
doc = self.create_document()
return doc.open()
class PDFCreator(DocumentCreator):
def create_document(self):
return PDFDocument()
class WordCreator(DocumentCreator):
def create_document(self):
return WordDocument()
# === 使用 ===
def client_code(creator: DocumentCreator):
print("Client: I'm not aware of the creator's class, but it still works.")
print(creator.open_file())
client_code(PDFCreator())
client_code(WordCreator())
🧠 說明：
- DocumentCreator 是抽象工廠。
- PDFCreator、WordCreator 負責實際建立具體文件。
- Client 端完全不知道具體類別，達到鬆耦合。
🧠 6. 實際應用場景（Real-world Use Cases）
| 場景 | 實例 |
|---|---|
| 🧩 檔案格式建立器 | PDF / Excel / CSV parser |
| 🧱 資料庫連線工廠 | 建立 MySQL / PostgreSQL client |
| 🧠 AI 模型工廠 | 根據模型名稱建立不同推理 client（OpenAI / Anthropic） |
| 🧾 Logger 工廠 | 根據環境建立不同 Logger（ConsoleLogger / FileLogger） |
| ☁️ 雲端 SDK | AWS / GCP 物件建立統一介面 |
⚖️ 7. 優點與缺點（Pros & Cons）
| 優點 | 缺點 |
|---|---|
| ✅ 將物件建立與使用分離 | ❌ 類別數量會爆炸（每種產品要一個 Creator） |
| ✅ 開放封閉原則（OCP） | ❌ 較難追蹤實際建立的產品類別 |
| ✅ 易於測試與替換實作 | ❌ 程式結構略顯冗長 |
🔍 8. 與其他模式比較（Comparison）
| 模式 | 差異 |
|---|---|
| Simple Factory | 非正式模式，由單一函式集中建立物件（不具擴展性） |
| Abstract Factory | 同時建立一組相關物件（而非單一類別） |
| Builder | 專注在「複雜物件的組裝過程」，不是選哪個類別 |
🧭 9. 實務設計指引（Design Tips）
- ✅ 當「類別建立邏輯」開始變複雜時，優先考慮使用 Factory。
- ✅ 若產品家族（Product Family）會擴展，用 Factory Method 取代 if-else。
- 🚫 若僅有少數類別，不必為簡單場景過度設計。
- 💬 可與 Dependency Injection 框架（如 FastAPI Depends）搭配使用。
🧮 10. 面試考點（Interview Insights）
| 問題 | 關鍵回答重點 |
|---|---|
| Factory Pattern 解決什麼問題？ | 解耦物件建立與使用邏輯。 |
| Factory 與 Abstract Factory 差別？ | 一對一 vs 一對多。 |
| Python 中如何實現？ | 透過抽象類別 + 覆寫工廠方法。 |
| 現實中例子？ | SQLAlchemy engine 建立器、Django ORM connection backend。 |
✅ 11. 一句話總結（One-liner Summary）
「Factory Method Pattern 讓物件建立更彈性， 讓子類別決定要實際產生哪一種產品，達到擴展與解耦。」
📚 12. 延伸閱讀（Further Reading）
- 📘 Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software
- 🧩 Refactoring.Guru – Factory Method Pattern
- 🧱 Source example: Django ORM backend factory
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