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Java 类中实现对象自动注册与唯一性控制：静态工厂方法的应用

碧海醫心

发布： 2025-11-26 16:03:41

原创

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Java 类中实现对象自动注册与唯一性控制：静态工厂方法的应用

本文深入探讨了在 java 类中实现对象自动注册和唯一性控制的最佳实践。通过将构造器设为私有并引入静态工厂方法，我们能够有效管理对象的创建过程，确保每个对象具有唯一名称，并在创建失败时提供优雅的错误处理机制，同时避免构造器中的复杂逻辑和副作用。

在 Java 应用程序开发中，我们经常会遇到需要追踪或管理某个类的所有实例的需求。例如，在一个船舶管理系统中，可能需要维护所有已创建船舶的列表，并确保每艘船舶都有一个唯一的名称。直接在构造器中实现这些逻辑，尤其是在涉及到复杂检查和潜在的提前返回时，可能会导致设计上的问题和不可预测的行为。

构造器中的挑战与限制

原始的设计尝试在 Ship 类的构造器中直接将 this 对象添加到静态列表中，并包含名称唯一性检查。这种方法存在几个潜在问题：

构造器过载与副作用： 构造器的主要职责是初始化对象的状态。在构造器中执行复杂的业务逻辑（如全局唯一性检查、打印错误信息甚至提前 return）会使其职责不清，并可能导致对象未能完全初始化就被返回或丢弃，这通常不是 Java 构造器的预期行为。Java 构造器在无法完成对象初始化时，应抛出异常而不是提前返回。
难以控制创建流程： 如果构造器是公共的，客户端代码可以直接调用它，绕过任何在构造器内部实现的复杂逻辑（例如，即便构造器内部有唯一性检查，客户端也可能在检查通过前创建另一个同名对象）。
冗余数据结构： 同时维护一个 ArrayList<String> ships 来存储名称和一个 ArrayList<Ship> shipObs 来存储对象实例是冗余的，因为 Ship 对象本身就包含 name 字段。

解决方案：静态工厂方法与私有构造器

为了优雅地解决上述问题，最佳实践是采用“静态工厂方法”模式，结合“私有构造器”。

1. 私有化构造器

将类的构造器设为 private，可以阻止外部代码直接通过 new 关键字创建对象。这强制所有对象创建都必须通过我们提供的静态工厂方法进行，从而实现了对创建过程的集中控制。

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public final class Ship { // 添加 final 关键字，明确该类不可被继承
    // ... 其他成员变量

    private Ship(String name, int maxPassengers) {
        this.name = name;
        this.maxPassengers = maxPassengers;
        // 注意：这里不再进行唯一性检查和注册，构造器只负责初始化
    }

    // ... 其他方法
}

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注意事项：

将构造器设为 private 会阻止继承。如果类不打算被继承，可以添加 final 关键字来明确这一点，这也有助于编译器优化。
私有构造器应专注于初始化对象的内部状态，避免执行复杂的业务逻辑或产生副作用。

2. 实现静态工厂方法

创建一个公共的 static 方法，作为创建 Ship 对象的唯一入口。这个方法将负责所有的前置检查、对象创建和注册逻辑。

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import java.util.ArrayList;

public final class Ship {

    private static ArrayList<Ship> shipObs = new ArrayList<>(); // 存储所有 Ship 实例
    String name;
    private ArrayList<String> cruises = new ArrayList<>();
    int maxPassengers;
    private static final String[] CABINS =
            new String[]{"Balcony", "Ocean View", "Suite", "Interior"};
    private int[] passengers = new int[]{0, 0, 0, 0};
    boolean inService = false;

    private Ship(String name, int maxPassengers) {
        this.name = name;
        this.maxPassengers = maxPassengers;
    }

    /**
     * 创建一个新的 Ship 实例。
     * 如果已存在同名 Ship，则返回现有实例；否则创建新实例并注册。
     *
     * @param name 船舶名称，必须唯一。
     * @param maxPassengers 船舶最大载客量。
     * @return 新创建或已存在的 Ship 实例。
     */
    public static Ship createAShip(String name, int maxPassengers) {
        // 1. 执行唯一性检查
        for (Ship existingShip : shipObs) {
            if (existingShip.name.equals(name)) {
                System.out.println("Ship " + name
                        + " cannot be created because that name already exists. Returning existing ship.");
                return existingShip; // 如果名称已存在，返回现有对象
            }
        }

        // 2. 如果名称唯一，则调用私有构造器创建新对象
        Ship theShip = new Ship(name, maxPassengers);

        // 3. 将新创建的对象添加到静态列表中进行注册
        shipObs.add(theShip);

        // 4. 返回新创建的对象
        return theShip;
    }

    // 示例：获取所有已注册的船舶
    public static ArrayList<Ship> getAllShips() {
        return new ArrayList<>(shipObs); // 返回副本以防止外部修改内部列表
    }

    // ... 其他业务方法（例如 getName(), getMaxPassengers() 等）
    public String getName() {
        return name;
    }
}

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静态工厂方法的优势

集中式控制与封装： 所有对象创建逻辑都封装在 createAShip 方法中，客户端无需关心内部细节。
唯一性保证： 可以在对象创建前执行严格的唯一性检查，确保不会创建重复名称的 Ship。
灵活的返回策略： 静态工厂方法可以返回新创建的对象、现有对象，甚至 null 或抛出异常，这比构造器只能创建新对象或抛出异常要灵活得多。
避免构造器中的复杂逻辑： 构造器保持简洁，专注于初始化，而业务逻辑（如注册和唯一性检查）则由工厂方法处理。
更清晰的意图： 方法名 createAShip 比 new Ship() 更能表达创建对象的具体行为和可能的结果。

关键注意事项与优化

构造器的职责与错误处理：
- 职责单一： 构造器应仅负责初始化对象状态。
- 异常处理： 如果构造器在初始化过程中遇到无法恢复的错误，应抛出异常（例如 IllegalArgumentException 或自定义异常），而不是提前 return。提前 return 会导致一个未完全初始化的对象被悄悄丢弃，这在 Java 中是不允许的。
- 在我们的静态工厂方法中，唯一性检查是在调用构造器之前完成的，因此构造器本身不会因为名称冲突而失败。
错误处理策略的选择：
- 在 createAShip 方法中，当发现同名船舶时，当前实现是返回已存在的 Ship 实例。这是一种有效的策略，尤其适用于“如果存在就获取，否则创建”的场景。
- 替代方案 1：抛出异常。 如果业务逻辑要求每个创建请求都必须是全新的对象，或者不允许创建同名对象，则应抛出 IllegalArgumentException 或自定义异常（如 DuplicateShipNameException）。
```
// ... 在 createAShip 方法中
for (Ship existingShip : shipObs) {
    if (existingShip.name.equals(name)) {
        throw new IllegalArgumentException("Ship " + name + " already exists.");
    }
}
// ... 继续创建新 Ship
```
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- 替代方案 2：返回 null。 这种方式不太推荐，因为它强制调用者进行 null 检查，容易遗漏。
- 文档说明： 无论选择哪种错误处理策略，都应通过 Javadoc 清晰地告知客户端代码，以便其正确使用。
冗余数据结构的移除：
- 原始代码中 private static ArrayList<String> ships 是冗余的。由于 shipObs 列表中存储的是 Ship 对象，并且每个 Ship 对象都有一个 name 字段，因此可以直接通过遍历 shipObs 来检查名称的唯一性，无需额外维护一个字符串列表。
代码简化：
- 在 createAShip 方法中，无需单独判断 shipObs.size() == 0 的情况。for-each 循环在列表为空时不会执行，代码自然简化。