设计模式-建造者模式

2023-12-14 2023-12-14 约 3500 字预计阅读 7 分钟

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。

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

模式分析

典型的复杂对象其类代码示例如下：

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public class Product
{
    private String partA; //可以是任意类型
    private String partB;
    private String partC;
    //partA的Getter方法和Setter方法省略
    //partB的Getter方法和Setter方法省略
    //partC的Getter方法和Setter方法省略
}

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public abstract class Builder
{
    protected Product product = new Product();

    public abstract void buildPartA();
    public abstract void buildPartB();
    public abstract void buildPartC();

    public Product getResult()
    {
        return product;
    }
}

建造者模式的结构中还引入了一个指挥者类Director，该类的作用主要有两个：一方面它隔离了客户与生产过程；另一方面它负责控制产品的生成过程。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，即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。

指挥者类的代码示例如下：

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public class Director
{
    private Builder builder;

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

    public void setBuilder(Builder builder)
    {
        this.builder=builer;
    }

    public Product construct()
    {
        builder.buildPartA();
        builder.buildPartB();
        builder.buildPartC();
        return builder.getResult();
    }
}

在客户端代码中，无须关心产品对象的具体组装过程，只需确定具体建造者的类型即可，建造者模式将复杂对象的构建与对象的表现分离开来，这样使得同样的构建过程可以创建出不同的表现。

模式实例

实例：KFC套餐

建造者模式可以用于描述KFC如何创建套餐：套餐是一个复杂对象，它一般包含主食（如汉堡、鸡肉卷等）和饮料（如果汁、可乐等）等组成部分，不同的套餐有不同的组成部分，而KFC的服务员可以根据顾客的要求，一步一步装配这些组成部分，构造一份完整的套餐，然后返回给顾客。

实例代码

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//组件类 Meal
public class Meal
{
    //food和drink是部件
    private String food;
    private String drink;

    public void setFood(String food) {
        this.food = food;
    }

    public void setDrink(String drink) {
        this.drink = drink;
    }

    public String getFood() {
        return (this.food);
    }

    public String getDrink() {
        return (this.drink);
    }
}

//抽象建造者类 MealBuilder
public abstract class MealBuilder
{
    protected Meal meal=new Meal();
    public abstract void buildFood();
    public abstract void buildDrink();
    public Meal getMeal()
    {
        return meal;
    }
}

//具体建造者类 SubMealBuilderA
public class SubMealBuilderA extends MealBuilder
{
    public void buildFood()
    {
        meal.setFood("一个鸡腿堡");
    }
    public void buildDrink()
    {
        meal.setDrink("一杯可乐");
    }
}

//具体建造者类 SubMealBuilderB
public class SubMealBuilderB extends MealBuilder
{
    public void buildFood()
    {
        meal.setFood("一个鸡肉卷");
    }
    public void buildDrink()
    {
         meal.setDrink("一杯果汁");
    }
}

//指挥者类 KFCWriter
public class KFCWaiter
{
    private MealBuilder mb;
    public void setMealBuilder(MealBuilder mb)
    {
        this.mb=mb;
    }
    public Meal construct()
    {
        mb.buildFood();
        mb.buildDrink();
        return mb.getMeal();
    }
}

//配置文件 config.xml
<?xml version="1.0"?>
<config>
    <className>SubMealBuilderB</className>
</config>

//通过反射获得具体创建者的实例 XMLUtil
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import org.xml.sax.SAXException;
import java.io.*;
public class XMLUtil
{
//该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象
    public static Object getBean()
    {
        try
        {
            //创建文档对象
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;
            doc = builder.parse(new File("config.xml"));

            //获取包含类名的文本节点
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();
            String cName=classNode.getNodeValue();

            //通过类名生成实例对象并将其返回
            Class c=Class.forName(cName);
              Object obj=c.newInstance();
            return obj;
           }
               catch(Exception e)
               {
                   e.printStackTrace();
                   return null;
               }
        }
}

//客户端类
public class Client
{
    public static void main(String args[])
    {
        //动态确定套餐种类
        MealBuilder mb=(MealBuilder)XMLUtil.getBean();
        //服务员是指挥者
        KFCWaiter waiter=new KFCWaiter();
        //服务员准备套餐
        waiter.setMealBuilder(mb);
        //客户获得套餐
        Meal meal=waiter.construct();

        System.out.println("套餐组成：");
        System.out.println(meal.getFood());
        System.out.println(meal.getDrink());
    }
}

模式优缺点

优点包括：

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”。

缺点包括：

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。

模式适应环境

在以下情况下可以使用建造者模式：

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属性。
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。
对象的创建过程独立于创建该对象的类。在建造者模式中引入了指挥者类，将创建过程封装在指挥者类中，而不在建造者类中。
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。

模式应用

JavaMail（一步一步构造一个完整的邮件对象，然后发送）

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//...
//由邮件会话对象新建一个邮件消息对象
MimeMessage message=new MimeMessage(session);
//设置邮件地址
InternetAddress from=new InternetAddress("sunny@test.com");
message.setFrom(from);//设置发件人
InternetAddress to=new InternetAddress(to_mail);
message.setRecipient(Message.RecipientType.TO,to);//设置收件人，并设置其接收类型为TO
message.setSubject(to_title);//设置主题
message.setText(to_content);//设置信件内容
message.setSentDate(new Date());//设置发信时间
message.saveChanges();//存储邮件信息
Transport transport=session.getTransport("smtp");
transport.connect("smtp.test.com","test","test");
transport.sendMessage(message,message.getAllRecipients());
//...

在很多游戏软件中，地图包括天空、地面、背景等组成部分，人物角色包括人体、服装、装备等组成部分，可以使用建造者模式对其进行设计，通过不同的具体建造者创建不同类型的地图或人物。

模式拓展

建造者模式的简化

省略抽象建造者角色：如果系统中只需要一个具体建造者的话，可以省略掉抽象建造者。
省略指挥者角色：在具体建造者只有一个的情况下，如果抽象建造者角色已经被省略掉，那么还可以省略指挥者角色，让Builder角色扮演指挥者与建造者双重角色。

建造者模式与抽象工厂模式的比较

与抽象工厂模式相比，建造者模式返回一个组装好的完整产品，而抽象工厂模式返回一系列相关的产品，这些产品位于不同的产品等级结构，构成了一个产品族。
在抽象工厂模式中，客户端实例化工厂类，然后调用工厂方法获取所需产品对象；而在建造者模式中，客户端可以不直接调用建造者的相关方法，而是通过指挥者类来指导如何生成对象，包括对象的组装过程和建造步骤，它侧重于一步步构造一个复杂对象，返回一个完整的对象。
如果将抽象工厂模式看成汽车配件生产工厂，生产一个产品族的产品，那么建造者模式就是一个汽车组装工厂，通过对部件的组装可以返回一辆完整的汽车。

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