模式设计之创建对象：建造者模式（Builder模式）详解

在软件开发过程中有时需要创建一个复杂的对象，这个复杂对象通常由多个子部件按一定的步骤组合而成。例如，计算机是由 CPU、主板、内存、硬盘、显卡、机箱、显示器、键盘、鼠标等部件组装而成的，采购员不可能自己去组装计算机，而是将计算机的配置要求告诉计算机销售公司，计算机销售公司安排技术人员去组装计算机，然后再交给要买计算机的采购员。

生活中这样的例子很多，如游戏中的不同角色，其性别、个性、能力、脸型、体型、服装、发型等特性都有所差异；还有汽车中的方向盘、发动机、车架、轮胎等部件也多种多样；每封电子邮件的发件人、收件人、主题、内容、附件等内容也各不相同。

以上所有这些产品都是由多个部件构成的，各个部件可以灵活选择，但其创建步骤都大同小异。这类产品的创建无法用前面介绍的工厂模式描述，只有建造者模式可以很好地描述该类产品的创建。

模式的定义与特点

建造者（Builder）模式的定义：指将一个复杂对象的构造与它的表示分离，使同样的构建过程可以创建不同的表示，这样的设计模式被称为建造者模式。它是将一个复杂的对象分解为多个简单的对象，然后一步一步构建而成。它将变与不变相分离，即产品的组成部分是不变的，但每一部分是可以灵活选择的。

该模式的主要优点如下：

封装性好，构建和表示分离。
扩展性好，各个具体的建造者相互独立，有利于系统的解耦。
客户端不必知道产品内部组成的细节，建造者可以对创建过程逐步细化，而不对其它模块产生任何影响，便于控制细节风险。

其缺点如下：

产品的组成部分必须相同，这限制了其使用范围。
如果产品的内部变化复杂，如果产品内部发生变化，则建造者也要同步修改，后期维护成本较大。

应用场景：

生成的产品对象有复杂的内部结构，且这些产品对象都有相同的构造。
隔离复杂对象的创建和使用过程，而且相同的创建流程，不同的参数设置生成不同的产品。
适合一个有较多零件（属性设置）的产品（对象）创建过程。

建造者与抽象工厂模式的比较：

建造者模式返回的是一个完整的产品，抽象工厂模式返回的是一系列相关的产品，这些产品处在不同的产品等级，构成了产品族。
抽象工厂模式中，客户端实例化工厂类并调用工厂方法，生成相应的产品；在建造者模式中，客户端不直接调用建造者的方法生成产品，而是由指挥者调用生产者生成产品，指挥者在生成过程中控制建造者的步骤和参数设置，建造者模式侧重一步步构造出一个复杂对象，最后返回一个完整的对象。
对比抽象工厂和建造者，抽象工厂生产的是一系列产品，例如小米生产的手机，空气清新器，路由器，监控摄像头，这是一系列产品；建造者就是一条生产线，生产一个复杂的产品，通过生产轮胎，轴承，车架，车门等，最后组装成一辆汽车。

建造者（Builder）模式和工厂模式的关注点不同：建造者模式注重零部件的组装过程，而工厂方法模式更注重零部件的创建过程，但两者可以结合使用。

模式的结构与实现

建造者（Builder）模式由产品、抽象建造者、具体建造者、指挥者等 4 个要素构成，现在我们来分析其基本结构和实现方法。

1. 模式的结构

建造者（Builder）模式的主要角色如下。

产品角色（Product）：它是包含多个组成部件的复杂对象，由具体建造者来创建其各个零部件。
抽象建造者（Builder）：它是一个包含创建产品各个子部件的抽象方法的接口，通常还包含一个返回复杂产品的方法 getResult()。
具体建造者(Concrete Builder）：实现 Builder 接口，完成复杂产品的各个部件的具体创建方法。
指挥者（Director）：它调用建造者对象中的部件构造与装配方法完成复杂对象的创建，在指挥者中不涉及具体产品的信息。

其结构图如图 1 所示。

图1 建造者模式的结构图

2. 模式的实现

图 1 给出了建造者（Builder）模式的主要结构，其相关类的代码如下。

(1) 产品角色：包含多个组成部件的复杂对象。

class Product {
    private String partA;
    private String partB;
    private String partC;

    public void setPartA(String partA) {
        this.partA = partA;
    }

    public void setPartB(String partB) {
        this.partB = partB;
    }

    public void setPartC(String partC) {
        this.partC = partC;
    }

    public void show() {
        //显示产品的特性
    }
}

(2) 抽象建造者：包含创建产品各个子部件的抽象方法。

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;
    }
}

(3) 具体建造者：实现了抽象建造者接口。

public class ConcreteBuilder extends Builder {
    public void buildPartA() {
        product.setPartA("建造 PartA");
    }

    public void buildPartB() {
        product.setPartB("建造 PartB");
    }

    public void buildPartC() {
        product.setPartC("建造 PartC");
    }
}

(4) 指挥者：调用建造者中的方法完成复杂对象的创建。

class Director {
    private Builder builder;

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

    //产品构建与组装方法
    public Product construct() {
        builder.buildPartA();
        builder.buildPartB();
        builder.buildPartC();
        return builder.getResult();
    }
}

(5) 客户类。

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Builder builder = new ConcreteBuilder();
        Director director = new Director(builder);
        Product product = director.construct();
        product.show();
    }
}

模式的应用实例

【例1】用建造者（Builder）模式描述客厅装修。

分析：客厅装修是一个复杂的过程，它包含墙体的装修、电视机的选择、沙发的购买与布局等。客户把装修要求告诉项目经理，项目经理指挥装修工人一步步装修，最后完成整个客厅的装修与布局，所以本实例用建造者模式实现比较适合。

这里客厅是产品，包括墙、电视和沙发等组成部分。具体装修工人是具体建造者，他们负责装修与墙、电视和沙发的布局。项目经理是指挥者，他负责指挥装修工人进行装修。

另外，客厅类中提供了 show() 方法，可以将装修效果图显示出来（点此下载装修效果图的图片）。客户端程序通过对象生成器类 ReadXML 读取 XML 配置文件中的装修方案数据（点此下载 XML 文件），调用项目经理进行装修。其类图如图 2 所示。

图2 客厅装修的结构图

程序代码如下：

package Builder;

import java.awt.*;
import javax.swing.*;

public class ParlourDecorator {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Decorator d;
            d = (Decorator) ReadXML.getObject();
            ProjectManager m = new ProjectManager(d);
            Parlour p = m.decorate();
            p.show();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

//产品：客厅
class Parlour {
    private String wall;    //墙
    private String TV;    //电视
    private String sofa;    //沙发 

    public void setWall(String wall) {
        this.wall = wall;
    }

    public void setTV(String TV) {
        this.TV = TV;
    }

    public void setSofa(String sofa) {
        this.sofa = sofa;
    }

    public void show() {
        JFrame jf = new JFrame("建造者模式测试");
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        JPanel p = new JPanel();
        JScrollPane sp = new JScrollPane(p);
        String parlour = wall + TV + sofa;
        JLabel l = new JLabel(new ImageIcon("src/" + parlour + ".jpg"));
        p.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("客厅"));
        p.add(l);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        jf.pack();
        jf.setVisible(true);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
    }
}

//抽象建造者：装修工人
abstract class Decorator {
    //创建产品对象
    protected Parlour product = new Parlour();

    public abstract void buildWall();

    public abstract void buildTV();

    public abstract void buildSofa();

    //返回产品对象
    public Parlour getResult() {
        return product;
    }
}

//具体建造者：具体装修工人1
class ConcreteDecorator1 extends Decorator {
    public void buildWall() {
        product.setWall("w1");
    }

    public void buildTV() {
        product.setTV("TV1");
    }

    public void buildSofa() {
        product.setSofa("sf1");
    }
}

//具体建造者：具体装修工人2
class ConcreteDecorator2 extends Decorator {
    public void buildWall() {
        product.setWall("w2");
    }

    public void buildTV() {
        product.setTV("TV2");
    }

    public void buildSofa() {
        product.setSofa("sf2");
    }
}

//指挥者：项目经理
class ProjectManager {
    private Decorator builder;

    public ProjectManager(Decorator builder) {
        this.builder = builder;
    }

    //产品构建与组装方法
    public Parlour decorate() {
        builder.buildWall();
        builder.buildTV();
        builder.buildSofa();
        return builder.getResult();
    }
}

package Builder;

import org.w3c.dom.Document;
import org.w3c.dom.Node;
import org.w3c.dom.NodeList;

import javax.xml.parsers.DocumentBuilder;
import javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory;
import java.io.File;

class ReadXML {
    public static Object getObject() {
        try {
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;
            doc = builder.parse(new File("src/Builder/config.xml"));
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode = nl.item(0).getFirstChild();
            String cName = "Builder." + classNode.getNodeValue();
            System.out.println("新类名：" + cName);
            Class<?> c = Class.forName(cName);
            Object obj = c.newInstance();
            return obj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

运行结果如下：

图3 客厅装修的运行结果

模式的应用场景

建造者模式唯一区别于工厂模式的是针对复杂对象的创建。也就是说，如果创建简单对象，通常都是使用工厂模式进行创建，而如果创建复杂对象，就可以考虑使用建造者模式。

当需要创建的产品具备复杂创建过程时，可以抽取出共性创建过程，然后交由具体实现类自定义创建流程，使得同样的创建行为可以生产出不同的产品，分离了创建与表示，使创建产品的灵活性大大增加。

建造者模式主要适用于以下应用场景：

相同的方法，不同的执行顺序，产生不同的结果。
多个部件或零件，都可以装配到一个对象中，但是产生的结果又不相同。
产品类非常复杂，或者产品类中不同的调用顺序产生不同的作用。
初始化一个对象特别复杂，参数多，而且很多参数都具有默认值。

建造者模式和工厂模式的区别

通过前面的学习，我们已经了解了建造者模式，那么它和工厂模式有什么区别呢？

建造者模式更加注重方法的调用顺序，工厂模式注重创建对象。
创建对象的力度不同，建造者模式创建复杂的对象，由各种复杂的部件组成，工厂模式创建出来的对象都一样
关注重点不一样，工厂模式只需要把对象创建出来就可以了，而建造者模式不仅要创建出对象，还要知道对象由哪些部件组成。
建造者模式根据建造过程中的顺序不一样，最终对象部件组成也不一样。

模式的扩展

建造者（Builder）模式在应用过程中可以根据需要改变，如果创建的产品种类只有一种，只需要一个具体建造者，这时可以省略掉抽象建造者，甚至可以省略掉指挥者角色。

C++版建造者模式

#ifndef BUILDER_CLIENT_H
#define BUILDER_CLIENT_H


class Builder_client
{
public:
    explicit Builder_client();
    virtual ~Builder_client();

    virtual void run();
};

#endif // BUILDER_CLIENT_H


#include <QString>
#include "builder_client.h"
#include "builder_director.h"
#include "builder_concretea_builder.h"
#include "builder_product.h"

Builder_client::Builder_client()
{

}

Builder_client::~Builder_client()
{

}

void Builder_client::run()
{
    Builder_director* director = new Builder_director(new Builder_concreteA_builder());
    Builder_product* product =director->set_data("hello", "qiaowei");

     product->show();
}



#ifndef BUILDER_BUILDER_H
#define BUILDER_BUILDER_H

#include <QString>

class Builder_product;

class Builder_builder
{
public:
    explicit Builder_builder();
    virtual ~Builder_builder();

    Builder_product* get_result();

    virtual void set_groupA(QString groupA) = 0;
    virtual void set_groupB(QString groupB) = 0;

protected:
    Builder_product* product_;
};

#endif // BUILDER_BUILDER_H

#include "builder_builder.h"
#include "builder_product.h"

Builder_builder::Builder_builder()
    : product_(new Builder_product())
{
}

Builder_builder::~Builder_builder()
{
    if (nullptr != product_) {
        delete product_;
        product_ = nullptr;
    }
}

Builder_product *Builder_builder::get_result()
{
    return product_;
}


#ifndef BUILDER_CONCRETEA_BUILDER_H
#define BUILDER_CONCRETEA_BUILDER_H

#include "builder_builder.h"

class Builder_concreteA_builder : public Builder_builder
{
public:
    explicit Builder_concreteA_builder();
    virtual ~Builder_concreteA_builder();

    virtual void set_groupA(QString groupA);
    virtual void set_groupB(QString groupB);
};

#endif // BUILDER_CONCRETEA_BUILDER_H


#include "builder_concretea_builder.h"
#include "builder_product.h"

Builder_concreteA_builder::Builder_concreteA_builder()
{

}

Builder_concreteA_builder::~Builder_concreteA_builder()
{
    Builder_builder::~Builder_builder();
}

void Builder_concreteA_builder::set_groupA(QString groupA)
{
    product_->set_groupA(groupA);
}

void Builder_concreteA_builder::set_groupB(QString groupB)
{
    product_->set_groupB(groupB);
}


#ifndef BUILDER_DIRECTOR_H
#define BUILDER_DIRECTOR_H

#include <QString>

class Builder_builder;
class Builder_product;

class Builder_director
{
public:
    explicit Builder_director(Builder_builder* builder);
    virtual ~Builder_director();

    virtual Builder_product* set_data(QString a, QString b);

private:
    Builder_builder* builder_;
};

#endif // BUILDER_DIRECTOR_H

#include "builder_director.h"
#include "builder_builder.h"
#include "builder_product.h"

Builder_director::Builder_director(Builder_builder* builder)
{
    builder_ = builder;
}

Builder_director::~Builder_director()
{

}

Builder_product* Builder_director::set_data(QString a, QString b)
{
    builder_->set_groupA(a);
    builder_->set_groupB(b);

    return builder_->get_result();
}


#ifndef BUILDER_PRODUCT_H
#define BUILDER_PRODUCT_H

#include <QString>

class Builder_product
{
public:
    explicit Builder_product();
    virtual ~Builder_product();

    void set_groupA(const QString& groupA);

    void set_groupB(const QString& groupB);

    void show();

private:
    QString groupA_;
    QString groupB_;
};

#endif // BUILDER_PRODUCT_H


#include <QtDebug>
#include "builder_product.h"

Builder_product::Builder_product()
{

}

Builder_product::~Builder_product()
{

}

void Builder_product::set_groupA(const QString &groupA)
{
    groupA_ = groupA;
}

void Builder_product::set_groupB(const QString &groupB)
{
    groupB_ = groupB;
}

void Builder_product::show()
{
    qDebug()<< groupA_ << endl;
    qDebug()<< groupB_ << endl;
}

模式设计之创建对象：建造者模式（Builder模式）详解

模式的定义与特点

模式的结构与实现

1. 模式的结构

2. 模式的实现

模式的应用实例

模式的应用场景

建造者模式和工厂模式的区别

模式的扩展

C++版建造者模式

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模式設計之創建對象：建造者模式（Builder模式）詳解

模式設計之創建對象：原型模式（Prototype）詳解

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模式設計之結構型模式：外觀模式（Facade模式）詳解

模式設計之行爲模式：適配器模式（Adapter模式）詳解

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