设计模式学习笔记（八）：建造者模式

1 概述

1.1 引言

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，只需要知道所需的建造者类型即可。建造者模式关注一步一步地创建一个复杂对象，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。

1.2 复杂对象

建造者模式中用到了复杂对象这个概念。

复杂对象就是指那些包含多个成员变量的对象，这些成员变量也叫部件或者零件，例如汽车包括方向盘，发动机，轮胎等 ，
汽车就是复杂对象，方向盘，发动机以及轮胎就是汽车的部件。

1.3 定义

建造者模式：将一个复杂的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。

1.4 结构图

1.5 角色

建造者模式包含以下四个角色：

• Builder（抽象建造者）：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，一类是buildXXX()方法，用于创建复杂对象的各个部分（部件），另一类是是getResult()，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）：实现了Builder接口或者继承了Builder类，实现各个部件的具体构造和装配方法，定义并明确其所创建的复杂对象，也可以提供一个方法返回创建好的复杂对象
• Product（产品角色）：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其装配过程
• Director（指挥者）：指挥者又叫导演类，复杂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以及装配方法，完成复杂对象的建造。客户端一般只需要与导演类进行交互，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，然后通过导演类的构造函数或者setter将该对象传入导演类中

2 典型实现

2.1 步骤

• 定义产品角色：一般为复杂对象
• 定义抽象建造者：根据产品角色确定bulidXXX的数量，同时声明类似getResult返回产品角色对象的方法
• 定义具体建造者：实现抽象建造者中的buildXXX方法
• 定义导演类：通过构造方法或者setter注入抽象建造者，提供类似construct的方法给外界，调用具体建造者的方法并返回产品角色对象

2.2 产品角色

一般来说Product是一个复杂对象，典型的实现如下：

class Product
{
	private type1 part1;
	private type2 part2;
	private type3 part3;
	//getter + setter ...
}

其中type1，type2等指各种不同的类型，一般来说会有嵌套类。

2.3 抽象建造者

抽象建造者的典型实现如下：

abstract class Builder
{
	protected Product product = new Product();
	public abstract void buildPart1();
	public abstract void buildPart2();
	public abstract void buildPart3();
	public Product getResult()
	{
		return product;
	}
}

抽象建造者中声明了一系列buildXXX方法，用于创建Product的各个部件，具体创建过程在ConcreteBuilder中实现，getResult()返回已创建完成的Product。

2.4 具体建造者

ConcreteBuilder实现了Builder中的buildXXX方法，通过调用Product的setter来实现给产品对象的各部分赋值。

不同的ConcreteBuilder在实现buildXXX时将有所区别，比如传入Product的setter参数的不同。

另外在有些ConcreteBuilder中某些buildXXX无须实现（提供一个空实现），这些对客户端来说无须关心，客户端只需要知道具体建造者的类型即可。

典型实现如下：

class ConcreteBuilder extends Builder
{
	public void buildPart1()
	{
		product.setPart1("part1");
	}
	public void buildPart2()
	{
		product.setPart2("part2");		
	}
	public void buildPart3()
	{
		product.setPart3("part3");
	}
}

2.5 导演类

Director类主要有两个作用：

• 隔离了客户与创建过程
• 控制产品的创建过程，包括某个buildXXX方法是否被调用，以及调用时的先后次序等等

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，即可通过指挥者调用建造者的相关方法，返回一个完整的产品对象。典型实现如下：

class Director
{
	private Builder builder;
	public Director(Builder builder)
	{
		this.builder = builder;
	}
	
	public void setBuilder(Builder builder)
	{
		this.builder = builder;		
	}
	
	public Product construct()
	{
		builder.buildPart1();
		builder.buildPart2();
		builder.buildPart3();
		return builder.getResult();
	}
}

2.6 客户端

创建具体建造者并传入导演类作为构造方法参数，然后调用construct即可获取产品对象：

public static void main(String[] args) 
{
    Director director = new Director(new ConcreteBuilder());
    Product product = director.construct();
    System.out.println(product.getPart1());
}

3 实例

游戏角色的创建：不同的角色具有差别极大的外部特征，而且要求随着游戏的进行会不断出现新的角色，也就是说扩展性要好。这里例子简化就创建三个角色：英雄，天使与恶魔，使用建造者模式进行设计。

设计如下：

• 产品对象：Actor
• 抽象建造者：ActorBuilder
• 具体建造者：HeroBuilder+AngelBuilder+DevilBuilder
• 指挥者：ActorController

代码如下：

// 复杂产品
class Actor
{
    private String type;
    private String face;
    private String costume;
    private String hairstyle;
    //getter and setter ...
}

//抽象建造者
abstract class ActorBuilder
{
    protected Actor actor = new Actor();

    public abstract void buildType();
    public abstract void buildFace();
    public abstract void buildCostume();
    public abstract void buildHairstyle();

    public Actor createActor()
    {
        return actor;
    }
}

//具体建造者
class HeroBuilder extends ActorBuilder
{
    public void buildType(){ actor.setType("英雄"); }
    public void buildFace(){ actor.setFace("英俊"); }
    public void buildCostume(){ actor.setCostume("盔甲"); }
    public void buildHairstyle(){ actor.setHairstyle("飘逸"); }
}

class AngleBuilder extends ActorBuilder
{
    public void buildType(){ actor.setType("天使"); }
    public void buildFace(){ actor.setFace("漂亮"); }
    public void buildCostume(){ actor.setCostume("白裙"); }
    public void buildHairstyle(){ actor.setHairstyle("披肩长发"); }
}

class DevilBuilder extends ActorBuilder
{
    public void buildType(){ actor.setType("恶魔"); }
    public void buildFace(){ actor.setFace("帅气"); }
    public void buildCostume(){ actor.setCostume("黑衣"); }
    public void buildHairstyle(){ actor.setHairstyle("红色"); }
}

// 指挥者类
class ActorController
{
    public Actor construct(ActorBuilder builder)
    {
        builder.buildType();
        builder.buildFace();
        builder.buildHairstyle();
        builder.buildCostume();
        return builder.createActor();
    }
}

测试类：

public class Test
{
    public static void main(String[] args) {
        ActorBuilder builder = new AngleBuilder();
        ActorController controller = new ActorController();
        Actor actor = controller.construct(builder);
        System.out.println(actor.getType());
        System.out.println(actor.getCostume());
        System.out.println(actor.getHairstyle());
        System.out.println(actor.getFace());
    }
}

4 优化

4.1 省略Director

其实Director是可以省略的，直接与Builder合并，在Builder中提供类似Direcotr中的construct()方法，并定义为静态方法，如：

abstract class ActorBuilder
{
    protected static Actor actor = new Actor();

    public abstract void buildType();
    public abstract void buildFace();
    public abstract void buildCostume();
    public abstract void buildHairstyle();

    public static Actor build(ActorBuilder builder)
    {
        builder.buildType();
        builder.buildFace();
        builder.buildHairstyle();
        builder.buildCostume();
        return actor;
    }
}

同时客户端代码修改如下：

Actor actor = ActorBuilder.build(new AngleBuilder());
//Actor actor = ActorBuilder.build(new HeroBuilder());
//Actor actor = ActorBuilder.build(new DevilBuilder());

再简单一点的可以省略createActor中的参数：

abstract class ActorBuilder
{
    protected Actor actor = new Actor();

    public abstract void buildType();
    public abstract void buildFace();
    public abstract void buildCostume();
    public abstract void buildHairstyle();

    public Actor build()
    {
        buildType();
        buildFace();
        buildHairstyle();
        buildCostume();
        return actor;
    }
}

同时客户端简化如下：

Actor actor = new AngleBuilder().build();

这两种方式简化了系统结构的同时又不影响灵活性以及可扩展性，但是加重了抽象建造者的职责，如果build方法较为复杂，待构建的产品组成部分较多，建议还是将其单独封装在Director中，这样更加符合SRP（单一权责原则）。

4.2 钩子方法

钩子方法是一种可以控制是否调用某个buildXXX的方法，特征如下：

• 返回类型为boolean
• 方法名一般为isXXX

例如修改ActorBuilder如下：

abstract class ActorBuilder
{
    protected Actor actor = new Actor();

    public abstract void buildType();
    public abstract void buildFace();
    public abstract void buildCostume();
    public abstract void buildHairstyle();

    public boolean isBareheaded()
    {
        return false;
    }

    public Actor createActor()
    {
        return actor;
    }
}

并修改DevilBuilder，覆盖默认方法：

class DevilBuilder extends ActorBuilder
{
    public void buildType(){ actor.setType("恶魔"); }
    public void buildFace(){ actor.setFace("帅气"); }
    public void buildCostume(){ actor.setCostume("黑衣"); }
    public void buildHairstyle(){ actor.setHairstyle("红色"); }
    public boolean isBareheaded(){ return true; }
}

最后修改ActorController：

class ActorController
{
    public Actor construct(ActorBuilder builder)
    {
        builder.buildType();
        builder.buildFace();
        builder.buildCostume();
        if(builder.isBareheaded())
            builder.buildHairstyle();
        return builder.createActor();
    }
}

相比起之前的ActorController多了一次判断，测试如下：

public static void main(String[] args) {
    ActorController controller = new ActorController();
    Actor actor = controller.construct(new AngleBuilder());
    System.out.println(actor.getType());
    System.out.println(actor.getCostume());
    System.out.println(actor.getHairstyle());
    System.out.println(actor.getFace());
    System.out.println();

    actor = controller.construct(new DevilBuilder());
    System.out.println(actor.getType());
    System.out.println(actor.getCostume());
    System.out.println(actor.getHairstyle());
    System.out.println(actor.getFace());
}

输出如下：

4.3 返回Builder

在实际应用中Director较少出现，通常只有Builder以及Product，而且Builder是作为Product的内部类，提供一系列set方法，这些set方法返回一个Builder方便后续调用，最后以一个build()结尾，比如OkHttp中的Request/OkHttpClient：

OkHttpClient client = new OkHttpClient.Builder()
.connectTimeout(5000,TimeUnit.MILLISECONDS)
.readTimeout(10,TimeUnit.SECONDS)
.build();

Request request = new Request.Builder()
.url("https://xxx")
.post(requestBody)
.build();

5 主要优点

• 封装细节：建造者模式中客户端不需要知道产品内部组成细节，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
• 扩展性好：每一个具体建造者都相对独立，而与其他建造者无关，伊尼茨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。由于指挥者针对抽象建造者编程，增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码，扩展方便，符合开闭原则
• 控制创建过程：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，更加精细地控制创建过程

6 主要缺点

• 范围受限：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，例如很多组成部分不相同，就不适合使用建造者模式，因此使用范围受到一定限制
• 建造者多：如果产品内部结构复杂多变，可能会需要定义很多具体建造者类来实现这种变化，增大系统的理解难度与运行成本

7 适用场景

• 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变量
• 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指挥者类，将创建过程封装在指挥者类中，而不再建造者类或者客户类中
• 隔离复杂对象的创建与使用，并使得相同的创建过程可以创建不同的产品

8 总结

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