建造者模式

建造者模式

建造者模式是一种较为复杂的创建型模式。

建造者模式概述

软件系统中有一些复杂的对象，它们拥有多个组成部分。比如一辆汽车，它包括车轮、方向盘、发动机等多种部件。简单来说，复杂对象就是指那些包含多个成员变量的对象。对于大多数用户而言，并不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。

如何将这些部件组装成一辆完整的汽车并返回给用户，这是建造者模式需要解决的问题。建造者模式可以将部件本身和它们的组装过程分开，关注如何一步一步地创建一个包含多个组成部分的复杂对象，用户只需要指定复杂对象的类型即可得到该对象，而无须知道其内部的具体构造细节。

定义：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。

建造者模式是一种对象创建型模式，它将客户端与包含多个部件的复杂对象的创建过程分离，客户端无须知道复杂对象的内部组成部分与装配方式，只需要知道所需建造者的类型即可。建造者模式关注如何一步一步地创建一个复杂对象，不同的建造者定义了不同的创建过程。

建造者模式结构与实现

建造者模式结构

建造者模式的结构如下图：

由图可知，建造者模式包含以下4个角色：

• Builder（抽象建造者）：它为创建一个产品对象的各个部件指定抽象接口，在该接口中一般声明两类方法，一类方法是buildPartX（），它们用于创建复杂对象的各个部件；另一类方法是getResult（），它们用于返回复杂对象。Builder既可以是抽象类，也可以是接口。
• ConcreteBuilder（具体创建者）：它实现了Builder接口，实现各个部件的具体构造和装配方法，定义并明确所创建的复杂对象，还可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象（该方法也可由抽象建造者实现）。
• Product（产品）：它是被构建的复杂对象，包含多个组成部件，具体建造者创建该产品的内部表示并定义它的装配过程。
• Director（指挥者）：指挥者又称为导演类，它负责安排复杂对象的建造次序，指挥者与抽象建造者之间存在关联关系，可以在其construct（）建造方法中调用建造者对象的部件构造与装配方法，完成复杂对象的建造。客户端一般只需要与指挥者进行交互，在客户端确定具体建造者的类型，并实例化具体建造者对象（也可以通过配置文件和反射机制实现），然后通过指挥者类的构造函数或者Setter方法将该对象传入指挥者类中。

建造者模式实现

一个典型的复杂对象类的代码实例如下：

public class Product {
    private String partA;//定义部件，部件可以是任意类型，包括值类型和引用类型
    private String partB;
    private String partC;
    //partA、partB、partC的Getter方法和Setter方法省略
}

在抽象建造者类中定义了产品的创建方法和返回方法，典型代码如下：

public 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;
    }
}

在具体建造者中实现了buildPartX方法，通过调用Product的setPartX（）方法可以给产品对象的成员变量设值，不同的具体建造者在实现buildPartX（）方法时有所区别。而这些对于客户端来说都无须关心，客户端只需知道具体建造者类型即可。典型的具体建造者代码如下：

public class ConcreteBuilder1 extends Builder {
    public void buildPartA() {
        product.setPartA("A1");
    }
    
    public void buildPartB() {
        product.setPartA("B1");
    }
    
    public void buildPartC() {
        product.setPartA("C1");
    }
}

Director有两个作用：一方面它隔离了客户端与创建过程；另一方面，它控制产品对象的创建过程，包括某个buildPartX（）方法是否被调用以及多个buildPartX（）方法调用的先后次序等。指挥者针对抽象建造者编程，客户端只需要知道具体建造者的类型便可通过指挥者类调用建造者的相关方法，返回一个完整的产品对象。例如一个客户去购买电脑，电脑销售人员相当于指挥者，只要客户确定电脑的类型，电脑销售人员可以通知电脑组装人员给客户装一台电脑。指挥者类的示例代码如下：

public class Director {
    private Builder builder;
    
    public Director(Builder builder) {
        this.builder = builder;
    }
    
    public void setBuilder(Builder builder) {
        this.builder = builder;
    }
    
    //产品构建方法
    public Product construct() {
        builder.buildPartA();
        builder.buildPartB();
        builder.buildPartC();
        return builder.getResult();
    }
}

客户端代码片段如下：

...
Builder builder = new ConcreteBuilder1();//可通过配置文件实现
Director director = new Director(builder);
Product product = director.construct();
...

可以通过配置文件来存储具体建造者类ConcreteBuilder1的类名，使得在更换或添加新的建造者时无须修改源代码，只需将新增具体角色建造者作为抽象角色建造者的子类，然后修改配置文件，完全符合开闭原则。

指挥者类的深入讨论

简单的指挥者类（Director）用于指导具体建造者如何构建产品，它按一定次序调用Builder的buildPartX（）方法，控制调用的先后次序，并向客户端返回一个完整的产品对象。下面讨论几种Director的变化形式。

• 省略Director。在有些情况下，为了简化系统结构，可以将Director和抽象建造者Builder进行合并，在Builder中提供逐步构建复杂产品对象的construct（）方法。由于Builder类通常为抽象类，因此可以将construct（）方法定义为静态（static）方法，以便客户端能够直接调用。这种方式虽然简化了系统结构，不过加重了抽象建造者类的职责。如果construct（）方法较为复杂，待构建产品的组成部分较多，建议还是将construct（）方法单独封装在Director中，这样更符合单一职责原则。
• 钩子方法的引入。建造者模式除了可以逐步构建一个复杂产品对象外，还可以通过Director类更加精细地控制产品的创建过程，例如增加一类称为钩子方法（Hook Method）的特殊方法来控制是否对某个buildPartX（）进行调用。钩子方法的返回类型通常为boolean类型，方法名一般为isXXX（），钩子方法定义在抽象建造者类中。通过钩子方法，可以控制是否需要执行某个buildPartX（）方法。

建造者模式优/缺点与适用环境

建造者模式的核心在于如何一步步构建一个包含多个组成部件的完整对象，使用相同的构建过程构建不同的产品。在软件开发中，如果需要创建复杂对象并希望系统具备很好的灵活性和可扩展性可以考虑使用建造者模式。

优点

1. 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。
2. 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。由于指挥者类针对抽象建造者编程，增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码，系统扩展方便，符合开闭原则。
3. 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。

缺点

1. 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，例如很多组成部分都不相同，不适合使用建造者模式，因此使用范围受到一定限制。
2. 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，增加系统的理解难度和运行成本。

适用环境

1. 需要生成的产品对象有复杂的内部结构，这些产品对象通常包含多个成员变量。
2. 需要生成的产品对象的属性相互依赖，需要指定其生成顺序。
3. 对象的创建过程独立于创建该对象的类。在建造者模式中通过引入指挥者类将创建过程封装在指挥者类中，而不在建造者类和客户类中。
4. 隔离复杂对象的创建和使用，并使得相同的创建过程可以创建不同的产品。