设计模式之建造者模式

Posted 2021-07-31 二木成林

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了设计模式之建造者模式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

概述

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（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。

结构

建造者（Builder）模式包含如下角色：

抽象建造者类（Builder）：这个接口规定要实现复杂对象的那些部分的创建，并不涉及具体的部件对象的创建。
具体建造者类（ConcreteBuilder）：实现 Builder 接口，完成复杂产品的各个部件的具体创建方法。在构造过程完成后，提供产品的实例。
产品类（Product）：要创建的复杂对象。
指挥者类（Director）：调用具体建造者来创建复杂对象的各个部分，在指导者中不涉及具体产品的信息，只负责保证对象各部分完整创建或按某种顺序创建。

UML类图如下：

实例

生产自行车是一个复杂的过程，它包含了车架，车座等组件的生产。而车架又有碳纤维，铝合金等材质的，车座有橡胶，真皮等材质。对于自行车的生产就可以使用建造者模式。

这里Bike是产品，包含车架，车座等组件；Builder是抽象建造者，MobikeBuilder和OfoBuilder是具体的建造者；Director是指挥者。UML类图如下：

代码如下：

Bike.java

public class Bike {
    private String frame;// 车架
    private String seat;// 坐架

    public String getFrame() {
        return frame;
    }

    public void setFrame(String frame) {
        this.frame = frame;
    }

    public String getSeat() {
        return seat;
    }

    public void setSeat(String seat) {
        this.seat = seat;
    }
}

Builder.java

public abstract class Builder {
    //声明Bike类型的变量，并进行赋值
    protected Bike bike = new Bike();

    /**
     * 构建车架
     */
    public abstract void buildFrame();

    /**
     * 构建坐架
     */
    public abstract void buildSeat();

    /**
     * 创建单车
     * @return
     */
    public abstract Bike createBike();
}

MobileBuilder.java

public class MobileBuilder extends Builder {
    @Override
    public void buildFrame() {
        bike.setFrame("碳纤维车架");
    }

    @Override
    public void buildSeat() {
        bike.setSeat("真皮车座");
    }

    @Override
    public Bike createBike() {
        return bike;
    }
}

OfoBuilder.java

public class OfoBuilder extends Builder {
    @Override
    public void buildFrame() {
        bike.setFrame("铝合金车架");
    }

    @Override
    public void buildSeat() {
        bike.setSeat("橡胶车座");
    }

    @Override
    public Bike createBike() {
        return bike;
    }
}

Director.java

public class Director {
    private Builder builder;

    public Director(Builder builder) {
        this.builder = builder;
    }

    /**
     * 组装单车的功能
     *
     * @return 返回组装成功的单车对象
     */
    public Bike construct() {
        builder.buildFrame();
        builder.buildSeat();
        return builder.createBike();
    }
}

Test.java

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建指挥者对象
        Director director=new Director(new MobileBuilder());
        // 让指挥者只会组装自行车
        Bike bike = director.construct();
        // 打印结果
        System.out.println(bike.getFrame());
        System.out.println(bike.getSeat());
    }
}

上面示例是 Builder模式的常规用法，指挥者类 Director 在建造者模式中具有很重要的作用，它用于指导具体构建者如何构建产品，控制调用先后次序，并向调用者返回完整的产品类，但是有些情况下需要简化系统结构，可以把指挥者类和抽象建造者进行结合。

// 抽象 builder 类
public abstract class Builder {

    protected Bike bike= new Bike();

    public abstract void buildFrame();
    public abstract void buildSeat();
    public abstract Bike createBike();
    
    public Bike construct() {
        this.buildFrame();
        this.BuildSeat();
        return this.createBike();
    }
}

注意：这样做确实简化了系统结构，但同时也加重了抽象建造者类的职责，也不是太符合单一职责原则，如果construct() 过于复杂，建议还是封装到 Director 中。

优缺点

该模式的主要优点如下：

建造者模式的封装性很好。使用建造者模式可以有效的封装变化，在使用建造者模式的场景中，一般产品类和建造者类是比较稳定的，因此，将主要的业务逻辑封装在指挥者类中对整体而言可以取得比较好的稳定性。
在建造者模式中，客户端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。
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。
建造者模式很容易进行扩展。如果有新的需求，通过实现一个新的建造者类就可以完成，基本上不用修改之前已经测试通过的代码，因此也就不会对原有功能引入风险。符合开闭原则。

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，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。

模式扩展

建造者模式除了上面的用途外，在开发中还有一个常用的使用方式，就是当一个类构造器需要传入很多参数时，如果创建这个类的实例，代码可读性会非常差，而且很容易引入错误，此时就可以利用建造者模式进行重构。

重构前代码如下：

public class Phone {
    private String cpu;
    private String screen;
    private String memory;
    private String mainboard;

    public Phone(String cpu, String screen, String memory, String mainboard) {
        this.cpu = cpu;
        this.screen = screen;
        this.memory = memory;
        this.mainboard = mainboard;
    }

    public String getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(String cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public String getScreen() {
        return screen;
    }

    public void setScreen(String screen) {
        this.screen = screen;
    }

    public String getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(String memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public String getMainboard() {
        return mainboard;
    }

    public void setMainboard(String mainboard) {
        this.mainboard = mainboard;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Phone{" +
                "cpu='" + cpu + '\\'' +
                ", screen='" + screen + '\\'' +
                ", memory='" + memory + '\\'' +
                ", mainboard='" + mainboard + '\\'' +
                '}';
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //构建Phone对象
        Phone phone = new Phone("intel","三星屏幕","金士顿","华硕");
        System.out.println(phone);
    }
}

上面在客户端代码中构建Phone对象，传递了四个参数，如果参数更多呢？代码的可读性及使用的成本就是比较高。

重构后代码：

public class Phone {

    private String cpu;
    private String screen;
    private String memory;
    private String mainboard;

    private Phone(Builder builder) {
        cpu = builder.cpu;
        screen = builder.screen;
        memory = builder.memory;
        mainboard = builder.mainboard;
    }

    public static final class Builder {
        private String cpu;
        private String screen;
        private String memory;
        private String mainboard;

        public Builder() {}

        public Builder cpu(String val) {
            cpu = val;
            return this;
        }
        public Builder screen(String val) {
            screen = val;
            return this;
        }
        public Builder memory(String val) {
            memory = val;
            return this;
        }
        public Builder mainboard(String val) {
            mainboard = val;
            return this;
        }
        public Phone build() {
            return new Phone(this);}
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Phone{" +
                "cpu='" + cpu + '\\'' +
                ", screen='" + screen + '\\'' +
                ", memory='" + memory + '\\'' +
                ", mainboard='" + mainboard + '\\'' +
                '}';
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone.Builder()
                .cpu("intel")
                .mainboard("华硕")
                .memory("金士顿")
                .screen("三星")
                .build();
        System.out.println(phone);
    }
}

重构后的代码在使用起来更方便，某种程度上也可以提高开发效率。从软件设计上，对程序员的要求比较高。