深入浅出设计模式——建造者模式（Builder Pattern）

模式动机
无论是在现实世界中还是在软件系统中，都存在一些复杂的对象，它们拥有多个组成部分，如汽车，它包括车轮、方向盘、发送机等各种部件。而对于大多数用户而言，无须知道这些部件的装配细节，也几乎不会使用单独某个部件，而是使用一辆完整的汽车，可以通过建造者模式对其进行设计与描述，建造者模式可以将部件和其组装过程分开，一步一步创建一个复杂的对象。用户只需要指定复杂对象的类型就可以得到该对象，而无须知道其内部的具体构造细节。

在软件开发中，也存在大量类似汽车一样的复杂对象，它们拥有一系列成员属性，这些成员属性中有些是引用类型的成员对象。而且在这些复杂对象中，还可能存在一些限制条件，如某些属性没有赋值则复杂对象不能作为一个完整的产品使用；有些属性的赋值必须按照某个顺序，一个属性没有赋值之前，另一个属性可能无法赋值等。
复杂对象相当于一辆有待建造的汽车，而对象的属性相当于汽车的部件，建造产品的过程就相当于组合部件的过程。由于组合部件的过程很复杂，因此，这些部件的组合过程往往被“外部化”到一个称作建造者的对象里，建造者返还给客户端的是一个已经建造完毕的完整产品对象，而用户无须关心该对象所包含的属性以及它们的组装方式，这就是建造者模式的模式动机。

模式定义
建造者模式(Builder Pattern)：将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
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。建造者模式属于对象创建型模式。根据中文翻译的不同，建造者模式又可以称为生成器模式。
Builder Pattern: Separate the construction of a complex object from its representation so that the same construction process can create different representations.
Frequency of use: medium low
UML图

模式结构
建造者模式包含如下角色：
Builder：抽象建造者
ConcreteBuilder：具体建造者
Director：指挥者
Product：产品角色

建造者（Builder）角色：给出一个抽象接口，以规范产品对象的各个组成成分的建造。一般而言，此接口独立于应用程序的商业逻辑。模式中直接创建产品对象的是具体建造者（ConcreteBuilder）角色。具体建造者类必须实现这个接口所要求的方法：一个是建造方法，另一个是结果返还方法。
具体建造者（Concrete Builder）角色：担任这个角色的是于应用程序紧密相关的类，它们在应用程序调用下创建产品实例。这个角色主要完成的任务包括：
• 实现Builder角色提供的接口，一步一步完成创建产品实例的过程。
• 在建造过程完成后，提供产品的实例。
指导者（Director）角色：担任这个角色的类调用具体建造者角色以创建产品对象。导演者并没有产品类的具体知识，真正拥有产品类的具体知识的是具体建造者对象。
产品（Product）角色：产品便是建造中的复杂对象。
指导者角色是于客户端打交道的角色。导演者角色将客户端创建产品的请求划分为对各个零件的建造请求，再将这些请求委派给具体建造者角色。具体建造者角色是做具体建造工作的，但却不为客户端所知。

模式实例与解析
下面的程序代码演示了Shop对象使用VehicleBuilders来建造不同的交通工具。该例子使用了Builder模式顺序建造交通工具的不同部分。
体系结构

Builder：抽象建造者 VehicleBuilder.cs

namespace BuilderPattern
{
    // "Builder"
    abstract class VehicleBuilder
    {
        // Fields
        protected Vehicle vehicle = null;

        // Properties
        public Vehicle Vehicle
        {
            get { return vehicle; }
        }

        // Methods
        abstract public void BuildFrame();
        abstract public void BuildEngine();
        abstract public void BuildWheels();
        abstract public void BuildDoors();
    }
}

ConcreteBuilder：具体建造者 MotorCycleBuilder.cs

namespace BuilderPattern
{
    // "ConcreteBuilder1"
    class MotorCycleBuilder : VehicleBuilder
    {
        // Methods
        override public void BuildFrame()
        {
            vehicle = new Vehicle("MotorCycle");
            vehicle["frame"] = "MotorCycle Frame";
        }
        override public void BuildEngine()
        {
            vehicle["engine"] = "500 cc";
        }
        override public void BuildWheels()
        {
            vehicle["wheels"] = "2";
        }
        override public void BuildDoors()
        {
            vehicle["doors"] = "0";
        }
    }
}

ConcreteBuilder：具体建造者 CarBuilder.cs

namespace BuilderPattern
{
    // "ConcreteBuilder2"
    class CarBuilder : VehicleBuilder
    {
        // Methods
        override public void BuildFrame()
        {
            vehicle = new Vehicle("Car");
            vehicle["frame"] = "Car Frame";
        }
        override public void BuildEngine()
        {
            vehicle["engine"] = "2500 cc";
        }
        override public void BuildWheels()
        {
            vehicle["wheels"] = "4";
        }
        override public void BuildDoors()
        {
            vehicle["doors"] = "4";
        }
    }
}

ConcreteBuilder：具体建造者 ScooterBuilder.cs

namespace BuilderPattern
{
    // "ConcreteBuilder3"
    class ScooterBuilder : VehicleBuilder
    {
        // Methods
        override public void BuildFrame()
        {
            vehicle = new Vehicle("Scooter");
            vehicle["frame"] = "Scooter Frame";
        }
        override public void BuildEngine()
        {
            vehicle["engine"] = "none";
        }
        override public void BuildWheels()
        {
            vehicle["wheels"] = "2";
        }
        override public void BuildDoors()
        {
            vehicle["doors"] = "0";
        }
    }
}

Director：指挥者 Shop.cs

namespace BuilderPattern
{
    // "Director"
    class Shop
    {
        // Methods
        public void Construct(VehicleBuilder vehicleBuilder)
        {
            vehicleBuilder.BuildFrame();
            vehicleBuilder.BuildEngine();
            vehicleBuilder.BuildWheels();
            vehicleBuilder.BuildDoors();
        }
    }
}

Product：产品角色 Vehicle.cs

using System;
using System.Collections;

namespace BuilderPattern
{
    // "Product"
    class Vehicle
    {
        // Fields
        private string type;
        private Hashtable parts = new Hashtable();
        // Constructors
        public Vehicle(string type)
        {
            this.type = type;
        }
        // Indexers
        public object this[string key]
        {
            get { return parts[key]; }
            set { parts[key] = value; }
        }
        // Methods
        public void Show()
        {
            Console.WriteLine(" ---------------------------");
            Console.WriteLine("Vehicle Type: " + type);
            Console.WriteLine(" Frame : " + parts["frame"]);
            Console.WriteLine(" Engine : " + parts["engine"]);
            Console.WriteLine(" #Wheels: " + parts["wheels"]);
            Console.WriteLine(" #Doors : " + parts["doors"]);
        }
    }
}

客户端代码 Program.cs

using System;

namespace BuilderPattern
{
    class Client
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            // Create shop and vehicle builders
            Shop shop = new Shop();
            VehicleBuilder b1 = new ScooterBuilder();
            VehicleBuilder b2 = new CarBuilder();
            VehicleBuilder b3 = new MotorCycleBuilder();
            // Construct and display vehicles
            shop.Construct(b1);
            b1.Vehicle.Show();

            shop.Construct(b2);
            b2.Vehicle.Show();

            shop.Construct(b3);
            b3.Vehicle.Show();

            Console.Read();
        }
    }
}

建造者模式的优点
 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。
 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”。

建造者模式的缺点
 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。