设计模式之建造者模式

一.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。

二.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。

三.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

时序图

四.代码实例

Builder：抽象建造者

package com.lqs.builder;

public interface Builder {
    // 创建部件 A 比如创建汽车车轮
    void buildPartA();

    // 创建部件 B 比如创建汽车方向盘
    void buildPartB();

    // 创建部件 C 比如创建汽车发动机
    void buildPartC();

    // 返回最后组装成品结果 (返回最后装配好的汽车)
    // 成品的组装过程不在这里进行,而是转移到下面的 Director 类中进行.
    // 从而实现了解耦过程和部件
    Product getResult();
}

ConcreteBuilder：具体建造者

package com.lqs.builder;


import java.util.Random;

public class ConcreteBuilder implements Builder {
    Product product = new Product();

    @Override
    public void buildPartA() {
        product.setNo(new Random().nextInt() + "");
        System.out.println("创建部件A");
    }

    @Override
    public void buildPartB() {
        product.setBrand("华为制造");
        System.out.println("创建部件B");
    }

    @Override
    public void buildPartC() {
        product.setName("悠悠米");
        System.out.println("创建部件C");
    }

    @Override
    public Product getResult() {
        // 返回最后组装成品结果
        return product;
    }
}

Product：产品角色

package com.lqs.builder;

public class Product {
    private String no; // 编号
    private String brand; // 品牌
    private String name; // 名称

    public String getNo() {
        return no;
    }

    public void setNo(String no) {
        this.no = no;
    }

    public String getBrand() {
        return brand;
    }

    public void setBrand(String brand) {
        this.brand = brand;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Product{" +
                "no='" + no + '\'' +
                ", brand='" + brand + '\'' +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

Director：指挥者

package com.lqs.builder;

public class Director {// 用于组装部件
    Builder builder;

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

    // 将部件 partA partB partC 最后组成复杂对象
    // 这里是将车轮 方向盘和发动机组装成汽车的过程
    public void construct() {
        builder.buildPartA();
        builder.buildPartB();
        builder.buildPartC();
    }
}

测试

package com.lqs.builder;

public class Test { // builder模式的调用

    public static void main(String[] args) {
        ConcreteBuilder builder = new ConcreteBuilder();
        Director director = new Director(builder);
        director.construct();
        final Product product = builder.getResult();
        System.out.println(product);
    }

}

五.模式分析

抽象建造者类中定义了产品的创建方法和返回方法;

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

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。

六.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”。

七.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。

八.模式应用

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。

九.模式扩展

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。

十.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。