设计模式之【建造者模式】
设计原则是指导我们代码设计的一些经验总结，也就是“心法”；面向对象就是我们的“武器”；设计模式就是“招式”。
以心法为基础，以武器运用招式应对复杂的编程问题。
为什么麦当劳那么受欢迎？
表妹：哥啊，我想吃麦当劳
我：你为啥那么喜欢吃麦当劳呢？
表妹：因为它好吃呀，而且每个门店吃的味道都差不多，不像某县小吃，每个地方吃的味道都有区别。
我：那你知道为什么嘛？
表妹：因为麦当劳有一套非常完善的工作流程，每个门店都必须遵守这套规范…
这不就是我们设计模式中的【建造者模式】嘛？
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。
我们以煲汤为例子，我们知道，主汤料和水是煲汤必须的，配料是可放可不放的，有些人喜欢吃原汁原味，可以不放盐，有些肉比较油，那么，也可以不放油。
我们来看看具体的代码实现：
public class Soup {
private static final int MAX_INGREDIENTS = 10;
private static final int MAX_OIL = 8;
private static final int MAX_SALT = 5;
private String mainIngredient; // 主料必须
private String water; // 水必须
private int ingredients; // 配料可选
private int oil; // 油可选
private int salt; // 盐可选
public Soup(String main, String water, Integer ingredients, Integer oil, Integer salt) {
if (StringUtils.isBlank(main)) {
throw new IllegalArgumentException("main should not be empty");
}
this.mainIngredient = main;
if (StringUtils.isBlank(water)) {
throw new IllegalArgumentException("water should not be empty");
}
this.water = water;
if (ingredients != null) {
if (ingredients < 0) {
throw new IllegalArgumentException("ingredients should not be positive");
}
this.ingredients = ingredients;
}
if (oil != null) {
if (oil < 0) {
throw new IllegalArgumentException("oil should not be positive");
}
this.oil = oil;
}
if (salt != null) {
if (salt < 0) {
throw new IllegalArgumentException("salt should not be positive");
}
this.salt = salt;
}
}
// 省略get方法
}
// 今天想吃鱼头豆腐汤
Soup fishHeadTofuSoup = new Soup("鱼头", "山泉水", 10, 6, 3);
大家可以看到，这个构造函数有5个参数，参数列表太长，导致代码在可读性和易用性上都会变差。
而且这么长的参数列表，参数类型一样的都连在一起，在使用构造函数的时候，就很容易搞错各参数的顺序，传递进错误的参数值，导致非常隐蔽的bug。上面这个例子中，配料和盐都是int类型，万一我一不小心，把这两个参数的位置互换了，变成放3克的配料，放10克的盐，那还能吃嘛？
有些同学可能会说，你这个类在构造对象的时候，有些属性是可选可不选的，这些属性可以通过set()函数来设置。
是的，我们来看一下，这种方法的实现效果：
public class Soup {
private static final int MAX_INGREDIENTS = 10;
private static final int MAX_OIL = 8;
private static final int MAX_SALT = 5;
private String mainIngredient; // 主料必须
private String water; // 水必须
private int ingredients; // 配料可选
private int oil; // 油可选
private int salt; // 盐可选
public Soup(String main, String water) {
if (StringUtils.isBlank(main)) {
throw new IllegalArgumentException("main should not be empty");
}
this.mainIngredient = main;
if (StringUtils.isBlank(water)) {
throw new IllegalArgumentException("water should not be empty");
}
this.water = water;
}
public void setIngredients(int ingredients) {
if (ingredients != null) {
if (ingredients < 0) {
throw new IllegalArgumentException("ingredients should not be positive");
}
this.ingredients = ingredients;
}
}
public void setOil(int oil) {
if (oil != null) {
if (oil < 0) {
throw new IllegalArgumentException("oil should not be positive");
}
this.oil = oil;
}
}
public void setSalt(int salt) {
if (salt != null) {
if (salt < 0) {
throw new IllegalArgumentException("salt should not be positive");
}
this.salt = salt;
}
}
// 省略get方法
}
// 今天想吃菌菇乌鸡汤
Soup blackChickenSoup = new Soup("乌鸡", "水");
blackChickenSoup.setIngredients(8);
blackChickenSoup.setOil(5);
blackChickenSoup.setSalt(3);
这样一看，确实构造函数的参数列表变短了，也能够煲出美味的汤。但是，还是存在下面几个问题：
1、上面的例子中，只有两个必填的属性，但是如果必填的属性有很多呢？把这些必填属性都放到构造函数中设置，那岂不是又是一个很长的参数列表呢？
2、如果我们把必填属性也通过set()方法设置，那校验这些必填属性是否已经填写的逻辑就无处安放了。
3、如果属性之间有一定的依赖关系，比如，如果煲汤者放了配料ingredients，那么就一定要放盐salt；或者属性之间有一定的约束条件，比如，配料的克数要大于盐的克数。如果我们继续使用现在的设计思路，那这些属性之间的依赖关系或者约束关系的校验逻辑就无处安放了。
4、如果我们希望Soup类对象是不可变对象，也就是说，对象在创建好之后，就不能再修改内部的属性值了。那么，我们就不能在类中暴露set()方法了。
5、如果这些属性不是一起初始化的话，就会导致对象的无效状态。何为无效状态呢？一起看看下面的代码：
Rectangle r = new Rectangle(); // 此时r是无效对象，因为长方形必须有长宽值。
r.setWidth(2); // 此时r还是无效状态
r.setHeight(4); // 此时的r设置好了长宽值，才是有效状态
这时候，建造者模式就派上用场啦~
建造者模式
1、在Soup类中创建一个静态内部类Builder，然后将Soup类中的参数都复制到Builder类中。
2、在Soup类中创建一个private的构造函数，参数为Builder类型。
3、在Builder中创建一个public的构造函数，参数为Soup中必填的参数，mainIngredient和water。
4、在Builder中创建set()方法，对Soup中那些可选参数进行赋值，返回值为Builder类型的实例。
5、在Builder中创建一个build()方法，在其中创建Soup的实例并返回。
public class Soup {
private String mainIngredient;
private String water;
private int ingredient;
private int oil;
private int salt;
private Soup(Builder builder) {
this.mainIngredient = builder.mainIgredient;
this.water = builder.water;
this.ingredients = builder.ingredients;
this.oil = builder.oil;
this.salt = builder.salt;
}
// 省略get方法
// 将Builder类设计成Soup的内部类
// 也可以将BUilder类设计成独立的非内部类SoupBuilder
public static class Builder {
private static final int MAX_INGREDIENTS = 10;
private static final int MAX_OIL = 8;
private static final int MAX_SALT = 5;
private String mainIngredient;
private String water;
private int ingredient;
private int oil;
private int salt;
public Soup build() {
// 校验逻辑放到这里做，包括必填项校验，依赖关系校验，约束条件校验等
// 主料必填
if (StringUtils.isBlank(mainIngredient)) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
// 水必填
if (StringUtils.isBlank(water)) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
// 依赖关系：如果放了配料，就一定要放盐
if (ingredients > 0 && salt <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
// 约束条件：配料的克数不能小于等于盐的克数
if (ingredients <= salt) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
return new Soup(this);
}
public Builder setMainIngredients(String mainIngredient) {
if (StringUtils.isBlank(mainIngredient)) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
this.mainIngredient = mainIngredient;
return this;
}
public Builder setWater(String water) {
if (StringUtils.isBlank(water)) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
this.water = water;
return this;
}
public Builder setIngredients(int ingredients) {
if (ingredients != null) {
if (ingredients < 0) {
throw new IllegalArgumentException("ingredients should not be positive");
}
this.ingredients = ingredients;
}
return this;
}
public Builder setOil(int oil) {
if (oil != null) {
if (oil < 0) {
throw new IllegalArgumentException("oil should not be positive");
}
this.oil = oil;
}
return this;
}
public Builder setSalt(int salt) {
if (salt != null) {
if (salt < 0) {
throw new IllegalArgumentException("salt should not be positive");
}
this.salt = salt;
}
return this;
}
}
}
// 今天吃冬瓜排骨汤
Soup winterMelonRibSoup = new Soup.Builder()
.setMainIngredients("排骨")
.setWater("山泉水")
.setIngredients(8) // 冬瓜8克
.setOil(2)
.setSalt(3)
.builder();
你看，这样设计的话，上面的5个问题都解决了。
大家发现没有，一份美味的汤是由主料、水、配料、油和盐多个简单的对象组成的，然后一步一步构建而成。而建造者模式将变与不变分离，即汤的组成部分是不变的，但每一部分是可以灵活选择的。
像上面煲的冬瓜排骨汤，如果我忘记放油了：
Soup winterMelonRibSoup = new Soup.Builder()
.setMainIngredients("排骨") // 第一步
.setWater("山泉水")
.setIngredients(8) // 冬瓜8克
// .setOil(2) // 不放油
.setSalt(3)
.builder();
这样并不会导致状态的无效状态，没有显示设置会自动初始化为默认值。那么，煲出来的味道就不一样了。
可能有人会问，上面定义说“将一个复杂对象的构建与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示”，但你这也没有实现将构建与表示分离，而且是不同的构建过程创建出不同的表示。
是的，同样的构建过程就相当于麦当劳规范的制作流程，如果按照这套构建过程来构建对象，就不会忘记“放油”了。如下图所示：
其实，上面是Builder在Java中一种简化的使用方式，经典的Builder模式还是有点不同的。
经典Builder模式
它有4个角色：
- Product：最终要生成的对象，例如Soup实例。
- Builder：建设者的抽象基类（有时会使用接口代替）。其定义了构建Product的抽象步骤，其实体类需要实现这些步骤。它会包含一个用来返回最终产品的方法Product getProduct()。
- ConcreteBuilder：Builder的实现类。
- Director：决定如何构建最终产品的步骤，其会包含一个负责组装的方法void Construct(Builder builder)，在这个方法中通过调用builder的方法，就可以设置builder，等设置完成后，就可以通过builder的getProduct()方法获得最终的产品。
接下来我们看一下具体的代码实现：
第一步：我们的目标Soup类：
public class Soup {
private static final int MAX_INGREDIENTS = 10;
private static final int MAX_OIL = 8;
private static final int MAX_SALT = 5;
private String mainIngredient; // 主料必须
private String water; // 水必须
private int ingredients; // 配料可选
private int oil; // 油可选
private int salt; // 盐可选
public Soup(String main, String water) {
if (StringUtils.isBlank(main)) {
throw new IllegalArgumentException("main should not be empty");
}
this.mainIngredient = main;
if (StringUtils.isBlank(water)) {
throw new IllegalArgumentException("water should not be empty");
}
this.water = water;
}
public void setIngredients(int ingredients) {
if (ingredients != null) {
if (ingredients < 0) {
throw new IllegalArgumentException("ingredients should not be positive");
}
this.ingredients = ingredients;
}
}
public void setOil(int oil) {
if (oil != null) {
if (oil < 0) {
throw new IllegalArgumentException("oil should not be positive");
}
this.oil = oil;
}
}
public void setSalt(int salt) {
if (salt != null) {
if (salt < 0) {
throw new IllegalArgumentException("salt should not be positive");
}
this.salt = salt;
}
}
// 省略get方法
}
第二步：抽象建造者类
public abstract class SoupBuilder {
public abstract void setIngredients();
public abstract void setSalt();
public abstract void setOil();
public abstract Soup getSoup();
}
第三步：实体建造者类，我们可以根据要构建的产品种类产生多个实体建造者类，这里我们构建两种汤，鱼头豆腐汤和冬瓜排骨汤。所以，我们生成了两个实体建造者类。
鱼头豆腐汤建造者类：
public class FishHeadTofuSoupBuilder extends SoupBuilder {
private Soup soup;
public (String mainIngredient, String water) {
soup = new Soup(mainIngredient, water);
}
@Override
public void setIngredients() {
soup.setIngredients(10);
}
@Override
public void setSalt() {
soup.setSalt(3);
}
@Override
public void setOil() {
soup.setOil(4);
}
@Override
public Soup getSoup() {
return soup;
}
}
冬瓜排骨汤建造者类：
public class WinterMelonRibSoupBuilder extends SoupBuilder {
private Soup soup;
public (String mainIngredient, String water) {
soup = new Soup(mainIngredient, water);
}
@Override
public void setIngredients() {
soup.setIngredients(7);
}
@Override
public void setSalt() {
soup.setSalt(2);
}
@Override
public void setOil() {
soup.setOil(3);
}
@Override
public Soup getSoup() {
return soup;
}
}
第四步：指导者类（Director）
public class SoupDirector {
public void makeSoup(SoupBuilder builder) {
// 一套规范的流程
builder.setIngredients();
builder.setSalt();
builder.setOil();
}
}
指导者类SoupDirector在Builder模式中具有很重要的作用，它用于指导具体构建者如何构建产品，控制调用先后顺序。这也就是定义中所说的“使用同样的构建过程”。
那么，我们来看一下，客户端如何构建对象呢？
public static void main(String[] args) {
SoupDirector director = new SoupDirector();
SoupBuilder builder = new FishHeadTofuSoupBuilder("鱼头"， "水")；
// 按照那套规范流程来煲汤
director.makeSoup(builder);
// 鱼头豆腐汤出锅
Soup fishHeadTofuSoup = builder.getSoup();
// 现在我想喝冬瓜排骨汤
SoupBuilder winterMelonRibSoupBuilder = new WinterMelonRibSoupBuilder("排骨"， "山泉水")；
// 按照那套规范流程来煲汤
director.makeSoup(winterMelonRibSoupBuilder);
// 冬瓜排骨汤出锅
Soup winterMelonRibSoup = winterMelonRibSoupBuilder.getSoup();
}
建造者模式的优点
- 使用建造者模式可以使客户端不必知道产品内部组成的细节。
- 具体的建造者类之间是相互独立的，这有利于系统的扩展。
- 具体的建造者相互独立，因此可以对建造的过程逐步细化，而不会对其他模块产生任何影响。
建造者模式的缺点
- 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，可维护性降低。
建造者模式与工厂模式的区别
通过前面的学习，我们一起来看看，建造者模式和工厂方法模式有什么区别：
- 意图不一样
在工厂方法模式中，我们关注的是一个产品整体，比如tank整体，无需关心tank的各个部分是如何创建出来的；但在建造者模式中，一个具体产品的产生，是依赖各个部件的产生以及装配顺序的，它关注的是“由零件一步一步地组装出产品对象”。简单地说，工厂模式是一个对象创建的粗线条应用，建造者模式则是通过细线条勾勒出一个复杂对象，关注的是产品组成部分的创建过程。
- 产品的复杂度不同
工厂方法模式创建的产品一般都是单一性质的产品，比如tank，都具有一个方法attack()，而建造者模式创建的则是一个复合产品，它由各个部件复合而成，部件不同产品对象当然不同。这不是说工厂方法模式创建的对象简单，而是指它们的粒度大小不同。一般来说，工厂方法模式的对象粒度比较粗，建造者模式的产品对象粒度比较细。
建造者模式的应用场景
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。
- 初始化一个对象比较复杂，参数多，而且很多参数都具有默认值。
总结
建造者模式用来创建复杂对象，可以通过设置不同的可选参数，“定制化”地创建不同的对象。
参考
极客时间专栏《设计模式之美》
https://www.cnblogs.com/ChinaHook/p/7471470.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/58093669