C++设计模式：建造者模式（Builder） 房屋建造案例

news2024/11/24 11:27:33
什么是建造者模式？

建造者模式是一种创建型设计模式，它用于一步步地构建一个复杂对象，同时将对象的构建过程与它的表示分离开。简单来说：

  • 它将复杂对象的“建造步骤”分成多部分，让我们可以灵活地控制这些步骤。
  • 通过不同的建造者，构建过程可以生成不同的产品。
现实中的例子

想象你在快餐店点套餐：

  • 每份套餐包括主食、饮料和甜品。
  • 套餐1：汉堡 + 可乐 + 冰淇淋。
  • 套餐2：三明治 + 果汁 + 蛋糕。

虽然套餐的结构相同，但具体的内容不同。如果你点套餐时，只需告诉服务员你要套餐1或套餐2，剩下的流程由服务员来完成。这种“组装”套餐的过程就是建造者模式的一个应用场景。

模式的特点

建造者模式特别适合构建那些：

  1. 由多个部分组成的复杂对象。
  2. 构建步骤固定但各部分内容可以变化。
  3. 需要创建不同类型的对象。
模式结构

建造者模式包含以下几个角色：

  1. 产品（Product）：
    • 最终构建的复杂对象，由多个部分组成。
  2. 建造者（Builder）：
    • 定义对象的构建步骤（如构建地基、搭建结构等）。
  3. 具体建造者（Concrete Builder）：
    • 实现具体的构建逻辑，构建特定类型的产品。
  4. 指挥者（Director）：
    • 控制建造过程，调用建造者的步骤按顺序完成构建。
  5. 客户端（Client）：
    • 选择具体的建造者，通过指挥者完成产品构建，并获取最终产品。
用代码实现一个建造者模式

下面我们以建造房子为例，展示如何使用建造者模式来完成两种房子的构建：木屋 和 玻璃房。

1. 产品类（房子）

房子是一个复杂对象，由地基、结构和屋顶组成。

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory> // 用于智能指针管理

// 产品类：房子
class House {
public:
    void setFoundation(const std::string& foundation) {
        foundation_ = foundation;  // 设置地基
    }
    void setStructure(const std::string& structure) {
        structure_ = structure;  // 设置结构
    }
    void setRoof(const std::string& roof) {
        roof_ = roof;  // 设置屋顶
    }

    // 显示房子的组成部分
    void show() const {
        std::cout << "房子地基：" << foundation_ 
                  << "，结构：" << structure_ 
                  << "，屋顶：" << roof_ << "\n";
    }

private:
    std::string foundation_; // 地基
    std::string structure_;  // 结构
    std::string roof_;       // 屋顶
};
2. 抽象建造者（Builder）

定义房子的建造步骤，包括构建地基、搭建结构和安装屋顶。

// 抽象建造者类
class HouseBuilder {
public:
    virtual ~HouseBuilder() = default;

    virtual void buildFoundation() = 0;  // 建造地基
    virtual void buildStructure() = 0;  // 建造结构
    virtual void buildRoof() = 0;       // 建造屋顶

    virtual std::shared_ptr<House> getHouse() = 0;  // 返回建造完成的房子
};
3. 具体建造者（木屋和玻璃房）

分别实现木屋和玻璃房的建造逻辑。

// 木屋建造者
class WoodenHouseBuilder : public HouseBuilder {
public:
    WoodenHouseBuilder() {
        house_ = std::make_shared<House>();
    }

    void buildFoundation() override {
        house_->setFoundation("木制地基");
    }

    void buildStructure() override {
        house_->setStructure("木制结构");
    }

    void buildRoof() override {
        house_->setRoof("木制屋顶");
    }

    std::shared_ptr<House> getHouse() override {
        return house_;
    }

private:
    std::shared_ptr<House> house_;
};

// 玻璃房建造者
class GlassHouseBuilder : public HouseBuilder {
public:
    GlassHouseBuilder() {
        house_ = std::make_shared<House>();
    }

    void buildFoundation() override {
        house_->setFoundation("玻璃地基");
    }

    void buildStructure() override {
        house_->setStructure("玻璃结构");
    }

    void buildRoof() override {
        house_->setRoof("玻璃屋顶");
    }

    std::shared_ptr<House> getHouse() override {
        return house_;
    }

private:
    std::shared_ptr<House> house_;
};
4. 指挥者类（Director）

指挥者定义房子的建造流程，并调用建造者完成房子。

// 指挥者类
class Director {
public:
    void setBuilder(std::shared_ptr<HouseBuilder> builder) {
        builder_ = builder;
    }

    // 建造房子的完整流程
    void constructHouse() {
        if (builder_) {
            builder_->buildFoundation();
            builder_->buildStructure();
            builder_->buildRoof();
        }
    }

private:
    std::shared_ptr<HouseBuilder> builder_;
};
5. 客户端代码

客户端选择建造的房子类型，通过指挥者控制建造流程，最后获取建好的房子。

int main() {
    Director director; // 创建指挥者

    // 构建木屋
    auto woodenBuilder = std::make_shared<WoodenHouseBuilder>();
    director.setBuilder(woodenBuilder);
    director.constructHouse();
    woodenBuilder->getHouse()->show();  // 输出木屋信息

    // 构建玻璃房
    auto glassBuilder = std::make_shared<GlassHouseBuilder>();
    director.setBuilder(glassBuilder);
    director.constructHouse();
    glassBuilder->getHouse()->show();  // 输出玻璃房信息

    return 0;
}
运行结果

程序运行后，输出如下：

房子地基：木制地基，结构：木制结构，屋顶：木制屋顶
房子地基：玻璃地基，结构：玻璃结构，屋顶：玻璃屋顶
模式的优缺点

优点：

  1. 分离复杂对象的创建过程与表示：
    • 客户端只需关心建造步骤，不必关心具体实现。
  2. 支持多种产品表示：
    • 可以通过不同的建造者创建不同的产品。
  3. 易于扩展：
    • 新增产品类型时，只需实现新的建造者类。

缺点：

  1. 增加复杂性：
    • 为每个产品类型都需要定义建造者，代码量可能较多。
  2. 不适合简单对象的构建：
    • 如果对象的结构简单，直接用工厂模式更高效。
适用场景
  1. 需要创建复杂对象：对象由多个部分组成，并且构建步骤固定。
  2. 希望支持不同的表示：同样的构建过程可以生成不同的产品（如木屋和玻璃房）。
总结

建造者模式通过将产品的建造过程分解为多个步骤，并定义好构建的流程，使得我们可以灵活地创建不同类型的复杂对象。
它在需要“分步骤创建复杂对象”且“支持多种表示”的场景中非常适用。
本文用构建房子的例子，详细展示了建造者模式的实现过程，希望你能理解并应用这一设计模式！

建造者模式完整程序及详细解释

以下是实现建造者模式的完整程序代码。我们以建造两种房子（木屋和玻璃房）为例，展示如何通过建造者模式分步骤创建复杂对象。

完整代码
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory> // 用于智能指针管理

// 产品类：房子
class House {
public:
    void setFoundation(const std::string& foundation) {
        foundation_ = foundation;  // 设置地基
    }
    void setStructure(const std::string& structure) {
        structure_ = structure;  // 设置结构
    }
    void setRoof(const std::string& roof) {
        roof_ = roof;  // 设置屋顶
    }

    // 显示房子的组成部分
    void show() const {
        std::cout << "房子地基：" << foundation_ 
                  << "，结构：" << structure_ 
                  << "，屋顶：" << roof_ << "\n";
    }

private:
    std::string foundation_; // 地基
    std::string structure_;  // 结构
    std::string roof_;       // 屋顶
};

// 抽象建造者类：定义房子建造的步骤
class HouseBuilder {
public:
    virtual ~HouseBuilder() = default;

    virtual void buildFoundation() = 0;  // 建造地基
    virtual void buildStructure() = 0;  // 建造结构
    virtual void buildRoof() = 0;       // 建造屋顶

    virtual std::shared_ptr<House> getHouse() = 0;  // 返回建造完成的房子
};

// 木屋建造者：具体建造者
class WoodenHouseBuilder : public HouseBuilder {
public:
    WoodenHouseBuilder() {
        house_ = std::make_shared<House>();
    }

    void buildFoundation() override {
        house_->setFoundation("木制地基");
    }

    void buildStructure() override {
        house_->setStructure("木制结构");
    }

    void buildRoof() override {
        house_->setRoof("木制屋顶");
    }

    std::shared_ptr<House> getHouse() override {
        return house_;
    }

private:
    std::shared_ptr<House> house_;
};

// 玻璃房建造者：具体建造者
class GlassHouseBuilder : public HouseBuilder {
public:
    GlassHouseBuilder() {
        house_ = std::make_shared<House>();
    }

    void buildFoundation() override {
        house_->setFoundation("玻璃地基");
    }

    void buildStructure() override {
        house_->setStructure("玻璃结构");
    }

    void buildRoof() override {
        house_->setRoof("玻璃屋顶");
    }

    std::shared_ptr<House> getHouse() override {
        return house_;
    }

private:
    std::shared_ptr<House> house_;
};

// 指挥者类：负责控制建造流程
class Director {
public:
    void setBuilder(std::shared_ptr<HouseBuilder> builder) {
        builder_ = builder;
    }

    // 按照固定的步骤建造房子
    void constructHouse() {
        if (builder_) {
            builder_->buildFoundation(); // 建造地基
            builder_->buildStructure();  // 建造结构
            builder_->buildRoof();       // 建造屋顶
        }
    }

private:
    std::shared_ptr<HouseBuilder> builder_;
};

// 主函数：客户端代码
int main() {
    Director director; // 创建指挥者

    // 使用木屋建造者建造房子
    auto woodenBuilder = std::make_shared<WoodenHouseBuilder>();
    director.setBuilder(woodenBuilder);
    director.constructHouse(); // 按步骤建造木屋
    woodenBuilder->getHouse()->show();  // 显示木屋信息

    // 使用玻璃房建造者建造房子
    auto glassBuilder = std::make_shared<GlassHouseBuilder>();
    director.setBuilder(glassBuilder);
    director.constructHouse(); // 按步骤建造玻璃房
    glassBuilder->getHouse()->show();  // 显示玻璃房信息

    return 0;
}
运行结果

程序运行后，将输出如下内容：

房子地基：木制地基，结构：木制结构，屋顶：木制屋顶
房子地基：玻璃地基，结构：玻璃结构，屋顶：玻璃屋顶

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