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创建型建造者模式

gavin-james设计模式设计模式大约 9 分钟

建造者模式基本介绍

在软件开发过程中有时需要创建一个复杂的对象，这个复杂对象通常由多个子部件按一定的步骤组合而成。例如，计算机是由 CPU、主板、内存、硬盘、显卡、机箱、显示器、键盘、鼠标等部件组装而成的，采购员不可能自己去组装计算机，而是将计算机的配置要求告诉计算机销售公司，计算机销售公司安排技术人员去组装计算机，然后再交给要买计算机的采购员。

生活中这样的例子很多，如游戏中的不同角色，其性别、个性、能力、脸型、体型、服装、发型等特性都有所差异；还有汽车中的方向盘、发动机、车架、轮胎等部件也多种多样；每封电子邮件的发件人、收件人、主题、内容、附件等内容也各不相同。

以上所有这些产品都是由多个部件构成的，各个部件可以灵活选择，但其创建步骤都大同小异。这类产品的创建无法用前面介绍的工厂模式描述，只有建造者模式可以很好地描述该类产品的创建。

建造者模式（Builder Pattern）又叫 生成器模式，是一种对象 构建模式。它可以将复杂对象的建造过程抽象出来（抽象类别），使这个抽象过程的不同实现方法可以构造出不同表现（属性）的对象。

建造者模式 是一步一步创建一个复杂的对象，它允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们， 用户不需要知道内部的具体构建细节。

主要优点

  • 封装性好，构建和表示分离

  • 扩展性好，各个具体的建造者相互独立，有利于系统的解耦

  • 客户端不必知道产品内部组成的细节，建造者可以对创建过程逐步细化，而不对其它模块产生任何影响，便于控制细节风险

主要缺点

  • 产品的组成部分必须相同，这限制了其使用范围

  • 如果产品的内部变化复杂，如果产品内部发生变化，则建造者也要同步修改，后期维护成本较大

建造者（Builder Pattern）模式和工厂模式的关注点不同：建造者模式注重零部件的组装过程，而 工厂方法模式open in new window 更注重零部件的创建过程，但两者可以结合使用。

建造者模式的四个角色

  • Product（产品角色）：一个具体的产品对象
  • Builder（抽象建造者）：创建一个 Product 对象的各个部件指定的接口 / 抽象类
  • ConcreteBuilder（具体建造者）：实现接口，构建和装配各个部件
  • Director（指挥者）：构建一个使用 Builder 接口的对象。它主要是用于创建一个复杂的对象。它主要有两个作用，一是：隔离了客户与对象的生产过程，二是：负责控制产品对象的生产过程

建造者模式结构图

建造者（Builder）模式的主要角色如下：

  • 产品角色（Product）：它是包含多个组成部件的复杂对象，由具体建造者来创建其各个零部件

  • 抽象建造者（Builder）：它是一个包含创建产品各个子部件的抽象方法的接口，通常还包含一个返回复杂产品的方法 getResult()

  • 具体建造者(Concrete Builder）：实现 Builder 接口，完成复杂产品的各个部件的具体创建方法

  • 指挥者（Director）：它调用建造者对象中的部件构造与装配方法完成复杂对象的创建，在指挥者中不涉及具体产品的信息

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盖房案例

  • 需要建房子：这一过程为打桩、砌墙、封顶
  • 房子有各种各样的，比如普通房，高楼，别墅，各种房子的过程虽然一样，但是要求不要相同的

传统方式解决盖房案例

思路分析（图解）

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AbstractHouse 类：

public abstract class AbstractHouse {

    // 打地基
    public abstract void buildBasic();

    // 砌墙
    public abstract void buildWalls();

    // 封顶
    public abstract void roofed();

    public void build() {
        buildBasic();
        buildWalls();
        roofed();
    }
}

CommonHouse 类

public class CommonHouse extends AbstractHouse {

    @Override
    public void buildBasic() {
        System.out.println(" 普通房子打地基 ");
    }

    @Override
    public void buildWalls() {
        System.out.println(" 普通房子砌墙 ");
    }

    @Override
    public void roofed() {
        System.out.println(" 普通房子封顶 ");
    }
}

Client 类

public class Client {

	public static void main(String[] args) {
		CommonHouse commonHouse = new CommonHouse();
		commonHouse.build();
	}
}

传统方式的问题分析

优点是比较好理解，简单易操作。

设计的程序结构，过于简单，没有设计缓存层对象，程序的扩展和维护不好. 也就是说，这种设计方案，把产品（即：房子）和创建产品的过程（即：建房子流程）封装在一起，耦合性增强了。

解决方案：将产品和产品建造的过程解耦：建造者模式。

建造者模式解决盖房案例

  • 需要建房子：这一过程为打桩、砌墙、封顶。不管是普通房子也好，别墅也好都需要经历这些过程，下面我们使用建造者模式（Builder Pattern）来完成
  • 思路分析图解（类图）
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房子 House 类

public class House {
    private String baise;
    private String wall;
    private String roofed;
    public String getBaise() {
        return baise;
    }
    public void setBaise(String baise) {
        this.baise = baise;
    }
    public String getWall() {
        return wall;
    }
    public void setWall(String wall) {
        this.wall = wall;
    }
    public String getRoofed() {
        return roofed;
    }
    public void setRoofed(String roofed) {
        this.roofed = roofed;
    }
}

建造者类以及子类：

public abstract class HouseBuilder {

    protected House house = new House();

    // 将建造的流程写好，抽象的方法
    public abstract void buildBasic();
    public abstract void buildWalls();
    public abstract void roofed();

    // 建造房子好， 将产品（房子）返回
    public House buildHouse() {
        return house;
    }
}

public class CommonHouse extends HouseBuilder {
    @Override
    public void buildBasic() {
        System.out.println(" 普通房子打地基 5 米 ");
    }
    @Override
    public void buildWalls() {
        System.out.println(" 普通房子砌墙 10cm ");
    }
    @Override
    public void roofed() {
        System.out.println(" 普通房子屋顶 ");
    }
}
public class HighBuilding extends HouseBuilder {
    @Override
    public void buildBasic() {
        System.out.println(" 高楼的打地基 100 米 ");
    }
    @Override
    public void buildWalls() {
        System.out.println(" 高楼的砌墙 20cm ");
    }
    @Override
    public void roofed() {
        System.out.println(" 高楼的透明屋顶 ");
    }
}

HouseDirector 类

public class HouseDirector {
    HouseBuilder houseBuilder = null;
    // 构造器传入 houseBuilder
    public HouseDirector(HouseBuilder houseBuilder) {
        this.houseBuilder = houseBuilder;
    }
    // 通过 setter 传入 houseBuilder
    public void setHouseBuilder(HouseBuilder houseBuilder) {
        this.houseBuilder = houseBuilder;
    }
    // 如何处理建造房子的流程，交给指挥者
    public House constructHouse() {
        houseBuilder.buildBasic();
        houseBuilder.buildWalls();
        houseBuilder.roofed();
        return houseBuilder.buildHouse();
    }
}

Client 测试类

public class Client {
    public static void main(String[] args) {

        // 盖普通房子
        CommonHouse commonHouse = new CommonHouse();
        // 准备创建房子的指挥者
        HouseDirector houseDirector = new HouseDirector(commonHouse);

        // 完成盖房子，返回产品(普通房子)
        House house = houseDirector.constructHouse();

        // System.out.println("输出流程");

        System.out.println("--------------------------");
        // 盖高楼
        HighBuilding highBuilding = new HighBuilding();
        // 重置建造者
        houseDirector.setHouseBuilder(highBuilding);
        // 完成盖房子，返回产品(高楼)
        houseDirector.constructHouse();
    }
}

建造者模式的 JDK 应用

java.lang.StringBuilder 使用了建造者模式

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源码中建造者模式角色分析：

  • Appendable 接口定义了多个 append 方法（抽象方法），即 Appendable 为抽象建造者，定义了抽象方法
  • AbstractStringBuilder 实现了 Appendable 接口方法，这里的 AbstractStringBuilder 已经是建造者，只是不能实例化
  • StringBuilder 即充当了指挥者角色，同时充当了具体的建造者，建造方法的实现是由 AbstractStringBuilder 完成, 而 StringBuilder 继承了 AbstractStringBuilder

建造者模式的注意事项和细节

  • 客户端（使用程序）不必知道产品内部组成的细节，将产品本身与产品的创建过程解耦，使得相同的创建过程可以创建不同的产品对象
  • 每一个具体建造者都相对独立，而与其他的具体建造者无关，因此可以很方便地替换具体建造者或增加新的具体建造者，用户使用不同的具体建造者即可得到不同的产品对象
  • 可以更加精细地控制产品的创建过程。将复杂产品的创建步骤分解在不同的方法中，使得创建过程更加清晰，也更方便使用程序来控制创建过程
  • 增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码，指挥者类针对抽象建造者类编程，系统扩展方便，符合 开闭原则
  • 建造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点，其组成部分相似，如果产品之间的差异性很大，则不适合使用建造者模式，因此其使用范围受到一定的限制
  • 如果产品的内部变化复杂，可能会导致需要定义很多具体建造者类来实现这种变化，导致系统变得很庞大，因此在这种情况下，要考虑是否选择建造者模式

抽象工厂模式 VS 建造者

抽象工厂模式实现对产品家族的创建，一个产品家族是这样的一系列产品：具有不同分类维度的产品组合，采用抽象工厂模式不需要关心构建过程，只关心什么产品由什么工厂生产即可。而建造者模式则是要求按照指定的蓝图建造产品，它的主要目的是通过组装零配件而产生一个新产品。

建造者模式的应用场景

建造者模式唯一区别于工厂模式的是针对复杂对象的创建。也就是说，如果创建简单对象，通常都是使用工厂模式进行创建，而如果创建复杂对象，就可以考虑使用建造者模式。

当需要创建的产品具备复杂创建过程时，可以抽取出共性创建过程，然后交由具体实现类自定义创建流程，使得同样的创建行为可以生产出不同的产品，分离了创建与表示，使创建产品的灵活性大大增加。

建造者模式主要适用于以下应用场景：

  • 相同的方法，不同的执行顺序，产生不同的结果
  • 多个部件或零件，都可以装配到一个对象中，但是产生的结果又不相同
  • 产品类非常复杂，或者产品类中不同的调用顺序产生不同的作用
  • 初始化一个对象特别复杂，参数多，而且很多参数都具有默认值
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