建造者模式 (Builder Pattern)

定义：

建造者模式（Builder Pattern）是一种创建型设计模式，它用于构建复杂对象的表示。这种模式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。建造者模式通常用于解决复杂对象的逐步构建问题。

建造者模式的关键特点包括：

1. 分离复杂对象的构造和表示：
   • 允许客户端不必了解内部组成的细节，就可以构造复杂的对象。通常用于创建具有多个部分的对象，特别是当这些部分需要通过多个步骤进行构建时。
2. 提供控制复杂性的方法：
   • 通过一个指导者（Director）和多个不同的建造者（Builder）实现，指导者负责按照特定步骤构建产品，而建造者提供这些步骤的具体实现。
3. 流畅的接口风格：
   • 建造者模式经常以链式调用（Fluent Interface）的形式实现，即每个设置方法都返回Builder对象本身，使得构建过程的步骤可以顺畅地链接在一起。

建造者模式通常涉及以下几个角色：

• 建造者（Builder）：为创建一个产品对象的各个部件指定抽象接口。
• 具体建造者（Concrete Builder）：实现Builder的接口以构造和装配该产品的各个部件。定义并明确它所创建的表示，并提供一个检索产品的接口。
• 指导者（Director）：构造一个使用Builder接口的对象。
• 产品（Product）：表示被构造的复杂对象。ConcreteBuilder创建该产品的内部表示并定义它的装配过程。

这种模式在需要生成各种复杂对象时非常有用，特别是当这些对象的创建过程需要多个步骤时。通过独立控制过程和复杂对象的各个部分的构造，建造者模式提供了一种更灵活和可控的方式来创建复杂对象。

解决的问题：

• 处理复杂对象的构造：
  • 当对象的构造过程非常复杂，包含多个组成部分和层次时，使用建造者模式可以逐步构建对象，而不是通过一个包含大量参数的复杂构造函数。
• 分离对象的构造和表示：
  • 建造者模式提供了一种方法，将一个对象的构造过程与其表示分离开来，这样同样的构建过程可以创建不同的表示。
• 提高构造对象的可读性和易用性：
  • 当创建一个对象需要很多步骤时，使用建造者模式可以使客户端代码更加清晰、易于理解和使用。
• 控制对象的构造过程：
  • 建造者模式允许精细控制对象的构造过程。在构建过程中，可以更改产品的类型和内容。
• 可选参数的灵活处理：
  • 在对象有多个可选参数时，使用建造者模式可以避免构造函数参数列表过长，以及处理多个参数组合的复杂性。
• 不变性的保证：
  • 当对象一旦创建后就不应该改变其状态时，建造者模式可以在对象完全构建好后一次性地返回，从而保证对象的不变性。

使用场景：

• 复杂对象的构建：
  • 当需要构建的对象很复杂，具有多个组件时，尤其是这些组件的构建顺序或组合方式可能变化。
• 构造参数多且复杂：
  • 当对象的构造过程涉及多个参数时，特别是当有些参数是可选的，建造者模式提供了一种更清晰和安全的方式来构建对象。
• 不同表示的对象：
  • 当需要创建多个不同表示的相同类型对象时，建造者模式允许使用相同的构建过程创建不同的表示。
• 需要封装构建过程：
  • 当构建过程需要被封装起来，以便提供不同的表示，同时保持客户端与创建过程的解耦。
• 构建过程的步骤化：
  • 当对象的创建需要多个步骤，且这些步骤需要按特定顺序执行时。建造者模式使得执行顺序的控制更加灵活。
• 不可变对象的创建：
  • 对于需要创建不可变对象的场景，建造者模式可以先逐步构建对象的状态，然后一次性地返回最终对象，确保其不可变性。

示例代码：

// 产品类 - 计算机
public class Computer {
    private String CPU;
    private String memory;
    private String storage;
    private String screen;
    private String operatingSystem;

    private Computer(Builder builder) {
        this.CPU = builder.CPU;
        this.memory = builder.memory;
        this.storage = builder.storage;
        this.screen = builder.screen;
        this.operatingSystem = builder.operatingSystem;
    }

    // getter方法

    // 静态内部Builder类
    public static class Builder {
        private String CPU;
        private String memory;
        private String storage;
        private String screen;
        private String operatingSystem;

        public Builder CPU(String CPU) {
            this.CPU = CPU;
            return this;
        }

        public Builder memory(String memory) {
            this.memory = memory;
            return this;
        }

        public Builder storage(String storage) {
            this.storage = storage;
            return this;
        }

        public Builder screen(String screen) {
            this.screen = screen;
            return this;
        }

        public Builder operatingSystem(String operatingSystem) {
            this.operatingSystem = operatingSystem;
            return this;
        }

        public Computer build() {
            return new Computer(this);
        }
    }
}

// 使用建造者模式构建对象
public class BuilderPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Computer computer = new Computer.Builder()
                .CPU("Intel Core i7")
                .memory("16GB RAM")
                .storage("512GB SSD")
                .screen("15 inch 4K")
                .operatingSystem("Windows 10")
                .build();

        // 使用computer对象
    }
}

主要符合的设计原则：

1. 单一职责原则（Single Responsibility Principle）：
   • 建造者模式通过将复杂对象的构造过程从其表示中分离出来，使得构造过程和表示方法有单一的职责。构造逻辑在建造者中实现，而对象的表示则在产品类中。
2. 开闭原则（Open-Closed Principle）：
   • 建造者模式支持开闭原则，因为可以在不修改现有代码的情况下引入新的类型的建造者。如果需要创建一个新类型的对象，你只需要添加一个新的具体建造者类。
3. 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle）：
   • 尽管建造者模式不直接体现里氏替换原则，但它允许扩展建造者，新的建造者继承基本建造者时，可以替换基本建造者而不影响指导者的使用。
4. 接口隔离原则（Interface Segregation Principle）：
   • 建造者模式通常使用接口来定义建造者的方法，这些接口仅暴露必要的方法，从而遵守接口隔离原则。
5. 依赖倒转原则（Dependency Inversion Principle）：
   • 在建造者模式中，指导者类（Director）依赖于建造者接口（Builder），而不是具体的建造者实现类。这样做降低了指导者和具体建造者之间的耦合，符合依赖倒转原则。

综上所述，建造者模式通过上述原则的应用，提高了代码的模块化和灵活性，降低了各个类之间的耦合。

在JDK中的应用：

• java.lang.StringBuilder / java.lang.StringBuffer：
  • StringBuilder 和 StringBuffer 类在构建字符串时采用了建造者模式。这些类提供了链式方法调用来逐步构建和修改字符串，最后通过 toString() 方法返回最终的字符串对象。
• java.nio.ByteBuffer：
  • 在Java NIO中，ByteBuffer 类及其兄弟类（如 CharBuffer, ShortBuffer 等）提供了一种类似建造者模式的方法来构建和操作缓冲区。例如，可以链式调用 put() 方法向缓冲区添加数据。
• java.sql.PreparedStatement：
  • 在JDBC API中，PreparedStatement 类使用类似建造者模式的方法来逐步构建SQL语句。通过一系列的 setXxx() 方法设置参数，最后执行查询或更新。
• Java Stream API：
  • 在Java 8及以上版本中，Stream API使用类似建造者模式的链式调用来构建和处理数据流。例如，可以通过一系列的中间操作（如 filter, map）构建数据流，最后通过终端操作（如 collect, forEach）完成数据处理。

在Spring中的应用：

• Spring Security的配置：
  • 在Spring Security中，安全配置通常通过一个流畅的接口实现，这允许通过链式方法调用来构建安全约束。例如，.http().authorizeRequests().antMatchers("/admin").hasRole("ADMIN").and().formLogin() 这样的配置就是使用建造者模式来实现的。
• RestTemplate Builder：
  • 在Spring提供的 RestTemplateBuilder 类中，建造者模式被用来构建 RestTemplate 实例。这种方式允许客户端在构建 RestTemplate 时灵活地添加定制化的功能，如消息转换器、请求工厂、拦截器等。
• Spring Boot的ApplicationBuilder：
  • 在Spring Boot中，SpringApplicationBuilder 类用于构建和配置 SpringApplication 和 ApplicationContext。它提供了一种流畅的API来定制Spring应用的行为。
• Spring Framework的UriComponentsBuilder：
  • UriComponentsBuilder 是用于构建URI的工具类，提供了一种流畅的API来构建 UriComponents 实例，这是建造者模式的典型应用。

在这些例子中，建造者模式允许通过一个简洁且易读的接口逐步构建复杂对象。它使得代码更加清晰，并且可以灵活地构建对象，而不必担心对象的构建过程中的细节。这种模式在需要构建配置复杂的对象时特别有用，如在配置安全性、创建REST客户端或构建复杂的URI时。

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