设计模式-建造者模式

在软件开发中，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。

概述

建造者模式是较为复杂的创建型模式，它将客户端与包含多个组成部分（或部件）的复杂对象的创建过程分离，客户端无须知道复杂对象的内部组成部分与装配方式，只需要知道所需建造者的类型即可。它关注如何一步一步创建一个的复杂对象，不同的具体建造者定义了不同的创建过程，且具体建造者相互独立，增加新的建造者非常方便，无须修改已有代码，系统具有较好的扩展性。

定义

1	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。建造者模式是一种对象创建型模式。

建造者模式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。

结构图

角色

在建造者模式结构图中包含如下几个角色：

Builder（抽象建造者）：它为创建一个产品Product对象的各个部件指定抽象接口，在该接口中一般声明两类方法，一类方法是buildPartX()，它们用于创建复杂对象的各个部件；另一类方法是getResult()，它们用于返回复杂对象。Builder既可以是抽象类，也可以是接口。
ConcreteBuilder（具体建造者）：它实现了Builder接口，实现各个部件的具体构造和装配方法，定义并明确它所创建的复杂对象，也可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象。
Product（产品角色）：它是被构建的复杂对象，包含多个组成部件，具体建造者创建该产品的内部表示并定义它的装配过程。
Director（指挥者）：指挥者又称为导演类，它负责安排复杂对象的建造次序，指挥者与抽象建造者之间存在关联关系，可以在其construct()建造方法中调用建造者对象的部件构造与装配方法，完成复杂对象的建造。客户端一般只需要与指挥者进行交互，在客户端确定具体建造者的类型，并实例化具体建造者对象（也可以通过配置文件和反射机制），然后通过指挥者类的构造函数或者Setter方法将该对象传入指挥者类中。

时序图

实例

复杂对象类代码示例如下：

Class Product  {
       private  String partA; //定义部件，部件可以是任意类型，包括值类型和引用类型
       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
}

在抽象建造者类中定义了产品的创建方法和返回方法，代码如下：

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;
       }
}

在抽象类Builder中声明了一系列抽象的buildPartX()方法用于创建复杂产品的各个部件，具体建造过程在ConcreteBuilder中实现，此外还提供了工厂方法getResult()，用于返回一个建造好的完整产品。

在ConcreteBuilder中实现了buildPartX()方法，通过调用Product的setPartX()方法可以给产品对象的成员属性设值。不同的具体建造者在实现buildPartX()方法时将有所区别，如setPartX()方法的参数可能不一样，在有些具体建造者类中某些setPartX()方法无须实现（提供一个空实现）。而这些对于客户端来说都无须关心，客户端只需知道具体建造者类型即可。

abstract class Builder {
    public void buildPartA() {
      product.setPartA("A");
    }
    public void buildPartB() {
      product.setPartB("B");
    }
    public void buildPartC() {
      product.setPartC("C");
    } 
}

在建造者模式的结构中还引入了一个指挥者类Director，该类主要有两个作用：一方面它隔离了客户与创建过程；另一方面它控制产品的创建过程，包括某个buildPartX()方法是否被调用以及多个buildPartX()方法调用的先后次序等。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。在实际生活中也存在类似指挥者一样的角色，如一个客户去购买电脑，电脑销售人员相当于指挥者，只要客户确定电脑的类型，电脑销售人员可以通知电脑组装人员给客户组装一台电脑。指挥者类的代码示例如下：

class Director {
       private  Builder builder;
      
       public  Director(Builder builder) {
              this.builder=builder;
       }
      
       public  void setBuilder(Builder builder) {
              this.builder=builer;
       }
      
      //产品构建与组装方法
       public Product construct() {
              builder.buildPartA();
              builder.buildPartB();
              builder.buildPartC();
              return builder.getResult();
       }
}

在指挥者类中可以注入一个抽象建造者类型的对象，其核心在于提供了一个建造方法construct()，在该方法中调用了builder对象的构造部件的方法，最后返回一个产品对象。

对于客户端而言，只需关心具体的建造者即可，一般情况下，客户端类代码片段如下所示：

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Builder  builder = new ConcreteBuilder(); //可通过配置文件实现
Director director = new Director(builder);
Product product = director.construct();

可以通过配置文件来存储具体建造者类ConcreteBuilder的类名，使得更换新的建造者时无须修改源代码，系统扩展更为方便。在客户端代码中，无须关心产品对象的具体组装过程，只需指定具体建造者的类型即可。

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

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。

适用场景

在以下情况下可以考虑使用建造者模式：

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。在建造者模式中通过引入了指挥者类，将创建过程封装在指挥者类中，而不在建造者类和客户类中。
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

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。

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。

建造者简化

首先创建一个静态内部类，把外部类的所有属性拷贝到静态内部类里面，同时为了遵循命名的规范，我们以类名Builder来命名内部类。
静态内部类包含一个public的构造函数，所有必需传递的参数作为构造函数的参数。
静态内部类应该提供设置可选参数的入口，即可选参数对应的set方法同时当连续调用多个属性的set方法之后，应该保证返回的是同一个builder对象。
最后一步要在静态内部类中实现一个builder方法，这个方法会返回外部类的对象。通过在外部类中实现一个private的私有构造函数，静态内部类作为参数来实现。

public class Computer {
    //required parameters
    private String HDD;
    private String RAM;
    //optional parameters
    private boolean isGraphicsCardEnabled;
    private boolean isBluetoothEnabled;
    public String getHDD() {
        return HDD;
    }
    public String getRAM() {
        return RAM;
    }
    public boolean isGraphicsCardEnabled() {
        return isGraphicsCardEnabled;
    }
    public boolean isBluetoothEnabled() {
        return isBluetoothEnabled;
    }
    private Computer(ComputerBuilder builder) {
        this.HDD = builder.HDD;
        this.RAM = builder.RAM;
        this.isGraphicsCardEnabled = builder.isGraphicsCardEnabled;
        this.isBluetoothEnabled = builder.isBluetoothEnabled;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "Computer [HDD=" + HDD + ", RAM=" + RAM + ", isGraphicsCardEnabled="
               + isGraphicsCardEnabled + ", isBluetoothEnabled=" + isBluetoothEnabled + "]";
    }
    //Builder Class
    public static class ComputerBuilder {
        // required parameters
        private String  HDD;
        private String  RAM;
        // optional parameters
        private boolean isGraphicsCardEnabled;
        private boolean isBluetoothEnabled;
        public ComputerBuilder(String hdd, String ram) {
            this.HDD = hdd;
            this.RAM = ram;
        }
        public ComputerBuilder setGraphicsCardEnabled(boolean isGraphicsCardEnabled) {
            this.isGraphicsCardEnabled = isGraphicsCardEnabled;
            return this;
        }
        public ComputerBuilder setBluetoothEnabled(boolean isBluetoothEnabled) {
            this.isBluetoothEnabled = isBluetoothEnabled;
            return this;
        }
        public Computer build() {
            return new Computer(this);
        }
    }
}

一般开发中都需要自己手动建造产品，成员属性的值是可变的。

jdk中建造者模式：java.lang.StringBuilder#append()

参考

建造者模式