Java设计模式——建造者模式

模式动机

模式定义

模式结构

代码分析

模式分析

实例

优点

缺点

适用环境

模式应用

模式扩展

总结

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（Builder）模式是一种创建型设计模式，它允许你一步一步地构建一个复杂的对象，而不是一下子创建一个复杂的对象。这种模式把构建过程与表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

模式结构

建造者模式包含以下几个组成部分：

Builder（建造者）：定义一个用于创建产品对象的公共接口。
ConcreteBuilder（具体建造者）：实现 Builder 接口中定义的构建产品各个部件的方法。
Director（指挥者/管理者）：构造一个使用 Builder 接口的对象。它主要是用来指导建造者去构造一个完整的产品对象。
Product（产品）：产品是由建造者构建出来的复杂对象。

代码分析

下面是一个简单的示例代码，展示如何使用建造者模式来构建一个计算机对象：

// 产品：Computer
public class Computer {
    private String HDD;
    private String RAM;
    private String CPU;

    public Computer(Builder builder) {
        this.HDD = builder.HDD;
        this.RAM = builder.RAM;
        this.CPU = builder.CPU;
    }

    // Getters and Setters
    public static class Builder {
        private String HDD;
        private String RAM;
        private String CPU;

        public Builder setHDD(String hdd) {
            this.HDD = hdd;
            return this;
        }

        public Builder setRAM(String ram) {
            this.RAM = ram;
            return this;
        }

        public Builder setCPU(String cpu) {
            this.CPU = cpu;
            return this;
        }

        public Computer build() {
            return new Computer(this);
        }
    }
}

// 具体建造者：ComputerBuilder
public class ComputerBuilder implements Builder {
    private Computer.ComputerBuilder builder;

    public ComputerBuilder() {
        builder = new Computer.ComputerBuilder();
    }

    @Override
    public void setHDD(String hdd) {
        builder.setHDD(hdd);
    }

    @Override
    public void setRAM(String ram) {
        builder.setRAM(ram);
    }

    @Override
    public void setCPU(String cpu) {
        builder.setCPU(cpu);
    }

    public Computer getComputer() {
        return builder.build();
    }
}

// 指挥者：Director
public class ComputerDirector {
    private ComputerBuilder computerBuilder;

    public ComputerDirector(ComputerBuilder computerBuilder) {
        this.computerBuilder = computerBuilder;
    }

    public Computer construct(String hdd, String ram, String cpu) {
        computerBuilder.setHDD(hdd);
        computerBuilder.setRAM(ram);
        computerBuilder.setCPU(cpu);
        return computerBuilder.getComputer();
    }
}

模式分析

建造者模式的核心思想是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。通过使用建造者模式，我们可以方便地创建多种配置的产品对象，而不必担心构造过程的复杂性。

实例

假设我们要构建一个汉堡包，汉堡包可以根据顾客的需求选择不同的配料。使用建造者模式可以让客户自由选择他们想要的配料，而不需要担心配料的组合方式。

// 产品：Hamburger
public class Hamburger {
    private boolean lettuce;
    private boolean tomato;
    private boolean cheese;
    private boolean bacon;

    public Hamburger(Builder builder) {
        this.lettuce = builder.lettuce;
        this.tomato = builder.tomato;
        this.cheese = builder.cheese;
        this.bacon = builder.bacon;
    }

    public static class Builder {
        private boolean lettuce;
        private boolean tomato;
        private boolean cheese;
        private boolean bacon;

        public Builder lettuce(boolean lettuce) {
            this.lettuce = lettuce;
            return this;
        }

        public Builder tomato(boolean tomato) {
            this.tomato = tomato;
            return this;
        }

        public Builder cheese(boolean cheese) {
            this.cheese = cheese;
            return this;
        }

        public Builder bacon(boolean bacon) {
            this.bacon = bacon;
            return this;
        }

        public Hamburger build() {
            return new Hamburger(this);
        }
    }
}

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”。

缺点

产品内部组成的改变需要修改相应的建造者类。
如果产品的内部变化复杂，那么建造者模式会比传统模式更为庞大。

适用环境

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

建造者模式广泛应用于创建复杂对象的场景中，例如在游戏开发中创建角色、在Web应用中构建页面元素等。

模式扩展

建造者模式的简化

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。在这种情况下，具体建造者类直接实现建造者模式中定义的所有方法。
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。此时，具体建造者类既扮演建造者角色又扮演指挥者角色，即具体建造者类内部定义了构建产品的步骤。

建造者模式与抽象工厂模式的比较

与抽象工厂模式相比，建造者模式和抽象工厂模式在创建对象方面有一些重要的区别：

返回的对象类型：
- 建造者模式：返回一个组装好的完整产品，侧重于一步步构造一个复杂对象，返回一个完整的对象。
- 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。
创建过程：
- 建造者模式：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。
- 抽象工厂模式：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。
应用场景比喻：
- 如果将抽象工厂模式比喻为“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。