创建型_建造者模式

2020-06-04 约 3895 字预计阅读 8 分钟次阅读

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。

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。

其结构图如图 1 所示。

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。

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);
    }
}

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;
    }
}

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");
    }
}

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();
    }
}

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。

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

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。
在Computer中创建一个private的构造函数，参数为Builder类型
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。
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
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。

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