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创建型_建造者模式

原文:秒懂设计模式之建造者模式(Builder pattern)

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 OPU、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工作人员去组装计算机,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。

定义与特点

建造者(Builder)模式的定义:指将一个复杂对象的构造与它的表示分离,使同样的构建过程可以创建不同的表示,这样的设计模式被称为建造者模式。它是将一个复杂的对象分解为多个简单的对象,然后一步一步构建而成。它将变与不变相分离,即产品的组成部分是不变的,但每一部分是可以灵活选择的。

该模式的主要优点如下: 各个具体的建造者相互独立,有利于系统的扩展。 客户端不必知道产品内部组成的细节,便于控制细节风险。

其缺点如下: 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,该模式会增加很多的建造者类。

建造者(Builder)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,而工厂方法模式更注重零部件的创建过程,但两者可以结合使用。

结构与实现

建造者(Builder)模式由产品、抽象建造者、具体建造者、指挥者等 4 个要素构成,现在我们来分析其基本结构和实现方法。

模式的结构

建造者(Builder)模式的主要角色如下。

  1. 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。
  2. 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()。
  3. 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。
  4. 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。

其结构图如图 1 所示。

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200825222637.png

模式的实现

图 1 给出了建造者(Builder)模式的主要结构,其相关类的代码如下。

  1. 产品角色:包含多个组成部件的复杂对象。

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    @Data
    class Product {
        private String partA;
        private String partB;
        private String partC;
       
        public void show() {
            System.out.println(partA);
            System.out.println(partB);
            System.out.println(partC);
        }
    }
    
  2. 抽象建造者:包含创建产品各个子部件的抽象方法。

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    abstract class Builder {
        //创建产品对象
        protected Product product = new Product();
       
        public abstract void buildPartA();
       
        public abstract void buildPartB();
       
        public abstract void buildPartC();
       
        //返回产品对象
        public Product getResult() {
            return product;
        }
    }
    
  3. 具体建造者:实现了抽象建造者接口。

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    class ConcreteBuilder extends Builder {
        public void buildPartA() {
            product.setPartA("建造 PartA");
        }
       
        public void buildPartB() {
            product.setPartB("建造 PartB");
        }
       
        public void buildPartC() {
            product.setPartC("建造 PartC");
        }
    }
    
  4. 指挥者:调用建造者中的方法完成复杂对象的创建。

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    @AllArgsConstructor
    class Director {
        private Builder builder;
       
        //产品构建与组装方法
        public Product construct() {
            builder.buildPartA();
            builder.buildPartB();
            builder.buildPartC();
            return builder.getResult();
        }
    }
    
  5. 客户类

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    class Client {
        public static void main(String[] args) {
            Director director = new Director(new ConcreteBuilder());
            Product product = director.construct();
            product.show();
        }
    }
    

应用实例

【例1】用建造者(Builder)模式描述客厅装修。

分析:客厅装修是一个复杂的过程,它包含墙体的装修、电视机的选择、沙发的购买与布局等。客户把装修要求告诉项目经理,项目经理指挥装修工人一步步装修,最后完成整个客厅的装修与布局,所以本实例用建造者模式实现比较适合。

这里客厅是产品,包括墙、电视和沙发等组成部分。具体装修工人是具体建造者,他们负责装修与墙、电视和沙发的布局。项目经理是指挥者,他负责指挥装修工人进行装修。

另外,客厅类中提供了 show() 方法,可以将装修效果图显示出来。客户端程序通过对象生成器类 ReadXML 读取 XML 配置文件中的装修方案数据,调用项目经理进行装修。其类图如图 2 所示。

https://gitee.com/lienhui68/picStore/raw/master/null/20200825223700.png

程序代码如下:

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class ParlourDecorator {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Decorator d;
            d = (Decorator) ReadXML.getObject();
            ProjectManager m = new ProjectManager(d);
            Parlour p = m.decorate();
            p.show();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

//产品:客厅
@Data
class Parlour {
    private String wall;    //墙
    private String TV;    //电视
    private String sofa;    //沙发

    public void show() {
        System.out.println(wall);
        System.out.println(TV);
        System.out.println(sofa);
    }
}

//抽象建造者:装修工人
abstract class Decorator {
    //创建产品对象
    protected Parlour product = new Parlour();

    public abstract void buildWall();

    public abstract void buildTV();

    public abstract void buildSofa();

    //返回产品对象
    public Parlour getResult() {
        return product;
    }
}

//具体建造者:具体装修工人1
class ConcreteDecorator1 extends Decorator {
    public void buildWall() {
        product.setWall("w1");
    }

    public void buildTV() {
        product.setTV("TV1");
    }

    public void buildSofa() {
        product.setSofa("sf1");
    }
}

//具体建造者:具体装修工人2
class ConcreteDecorator2 extends Decorator {
    public void buildWall() {
        product.setWall("w2");
    }

    public void buildTV() {
        product.setTV("TV2");
    }

    public void buildSofa() {
        product.setSofa("sf2");
    }
}

//指挥者:项目经理
class ProjectManager {
    private Decorator builder;

    public ProjectManager(Decorator builder) {
        this.builder = builder;
    }

    //产品构建与组装方法
    public Parlour decorate() {
        builder.buildWall();
        builder.buildTV();
        builder.buildSofa();
        return builder.getResult();
    }
}
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public class ReadXML {
    public static Object getObject() {
        try {
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;
            doc = builder.parse(ReadXML.class.getResourceAsStream("/config.xml"));
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode = nl.item(0).getFirstChild();
            String cName = "com.eh.eden.pattern." + 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;
        }
    }
}

config.xml

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<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<config>
   <className>ConcreteDecorator1</className>
</config>

运行结果:

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新类名:com.eh.eden.pattern.ConcreteDecorator1
w1
TV1
sf1

应用场景

建造者(Builder)模式创建的是复杂对象,其产品的各个部分经常面临着剧烈的变化,但将它们组合在一起的算法却相对稳定,所以它通常在以下场合使用。

  • 创建的对象较复杂,由多个部件构成,各部件面临着复杂的变化,但构件间的建造顺序是稳定的。
  • 创建复杂对象的算法独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式,即产品的构建过程和最终的表示是独立的。

模式扩展

下面的内容是Builder在Java中一种简化的使用方式

当一个类的构造函数参数个数超过4个,而且这些参数有些是可选的参数,考虑使用构造者模式。

解决的问题

当一个类的构造函数参数超过4个,而且这些参数有些是可选的时,我们通常有两种办法来构建它的对象。 例如我们现在有如下一个类计算机类Computer,其中cpu与ram是必填参数,而其他3个是可选参数,那么我们如何构造这个类的实例呢,通常有两种常用的方式:

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public class Computer {
    private String cpu;//必须
    private String ram;//必须
    private int usbCount;//可选
    private String keyboard;//可选
    private String display;//可选
}

第一:折叠构造函数模式(telescoping constructor pattern ),这个我们经常用,如下代码所示

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public class Computer {
     ...
    public Computer(String cpu, String ram) {
        this(cpu, ram, 0);
    }
    public Computer(String cpu, String ram, int usbCount) {
        this(cpu, ram, usbCount, "罗技键盘");
    }
    public Computer(String cpu, String ram, int usbCount, String keyboard) {
        this(cpu, ram, usbCount, keyboard, "三星显示器");
    }
    public Computer(String cpu, String ram, int usbCount, String keyboard, String display) {
        this.cpu = cpu;
        this.ram = ram;
        this.usbCount = usbCount;
        this.keyboard = keyboard;
        this.display = display;
    }
}

第二种:Javabean 模式,如下所示

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public class Computer {
        ...

    public String getCpu() {
        return cpu;
    }
    public void setCpu(String cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }
    public String getRam() {
        return ram;
    }
    public void setRam(String ram) {
        this.ram = ram;
    }
    public int getUsbCount() {
        return usbCount;
    }
...
}

那么这两种方式有什么弊端呢? 第一种主要是使用及阅读不方便。你可以想象一下,当你要调用一个类的构造函数时,你首先要决定使用哪一个,然后里面又是一堆参数,如果这些参数的类型很多又都一样,你还要搞清楚这些参数的含义,很容易就传混了。。。那酸爽谁用谁知道。 第二种方式在构建过程中对象的状态容易发生变化,造成错误。因为那个类中的属性是分步设置的,所以就容易出错。

为了解决这两个痛点,builder模式就横空出世了。

如何实现

  1. 在Computer 中创建一个静态内部类 Builder,然后将Computer 中的参数都复制到Builder类中。
  2. 在Computer中创建一个private的构造函数,参数为Builder类型
  3. 在Builder中创建一个public的构造函数,参数为Computer中那些必填参数,cpu 和ram。
  4. 在Builder中创建设置函数,对Computer中那些可选参数进行赋值,返回值为Builder类型的实例
  5. 在Builder中创建一个build()方法,在其中构建Computer的实例并返回

下面代码就是最终的样子

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public class Computer {
    private final String cpu;//必须
    private final String ram;//必须
    private final int usbCount;//可选
    private final String keyboard;//可选
    private final String display;//可选

    private Computer(Builder builder){
        this.cpu=builder.cpu;
        this.ram=builder.ram;
        this.usbCount=builder.usbCount;
        this.keyboard=builder.keyboard;
        this.display=builder.display;
    }
    public static class Builder{
        private String cpu;//必须
        private String ram;//必须
        private int usbCount;//可选
        private String keyboard;//可选
        private String display;//可选

        public Builder(String cup,String ram){
            this.cpu=cup;
            this.ram=ram;
        }

        public Builder setUsbCount(int usbCount) {
            this.usbCount = usbCount;
            return this;
        }
        public Builder setKeyboard(String keyboard) {
            this.keyboard = keyboard;
            return this;
        }
        public Builder setDisplay(String display) {
            this.display = display;
            return this;
        }        
        public Computer build(){
            return new Computer(this);
        }
    }
}

如何使用

在客户端使用链式调用,一步一步的把对象构建出来。

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Computer computer=new Computer.Builder("因特尔","三星")
                .setDisplay("三星24寸")
                .setKeyboard("罗技")
                .setUsbCount(2)
                .build();

可以看到,扩展的使用方式是传统builder模式的变种, 首先其省略了director 这个角色,将构建算法交给了client端,其次将builder 写到了要构建的产品类里面,最后采用了链式调用。