瑞_23种设计模式_建造者模式

前言：本文章为瑞_系列专栏之《23种设计模式》的建造者者模式篇。本文中的部分图和概念等资料，来源于博主学习设计模式的相关网站《菜鸟教程 | 设计模式》和《黑马程序员Java设计模式详解》，特此注明。本文中涉及到的软件设计模式的概念、背景、优点、分类、以及UML图的基本知识和设计模式的6大法则等知识，建议阅读 《瑞_23种设计模式_概述》

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1 建造者模式（Builder Pattern）

  建造者模式（Builder Pattern）使用多个简单的对象一步一步构建成一个复杂的对象。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

  一个 Builder 类会一步一步构造最终的对象。该 Builder 类是独立于其他对象的。

瑞：
  在JDK 1.8中，建造者模式的一个典型应用是java.util.stream.Stream类的设计，Stream类使用了建造者模式，通过一系列的链式方法调用来构建和处理数据流。每个方法都返回一个新的流，这样你可以将多个操作链接在一起。
  还一个建造者模式核心思想的典型应用是StringBuilder类，虽然它本身并不是一个完整的建造者模式实现，因为它只涉及一个具体的建造者，但它的设计借鉴了建造者模式的核心思想，即通过提供一个专门的构建过程来简化复杂对象的创建。

1.1 介绍

• 意图：将一个复杂的构建与其表示相分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

• 主要解决：主要解决在软件系统中，有时候面临着"一个复杂对象"的创建工作，其通常由各个部分的子对象用一定的算法构成；由于需求的变化，这个复杂对象的各个部分经常面临着剧烈的变化，但是将它们组合在一起的算法却相对稳定。

• 何时使用：一些基本部件不会变，而其组合经常变化的时候。

• 如何解决：将变与不变分离开。

• 关键代码：建造者：创建和提供实例，导演：管理建造出来的实例的依赖关系。

• 应用实例： 1、去肯德基，汉堡、可乐、薯条、炸鸡翅等是不变的，而其组合是经常变化的，生成出所谓的"套餐"。 2、JAVA 中的 StringBuilder。

• 优点：
    1️⃣ 分离构建过程和表示，使得构建过程更加灵活，可以构建不同的表示。
    2️⃣ 可以更好地控制构建过程，隐藏具体构建细节。
    3️⃣ 代码复用性高，可以在不同的构建过程中重复使用相同的建造者。

• 缺点：
    1️⃣ 如果产品的属性较少，建造者模式可能会导致代码冗余。
    2️⃣ 建造者模式增加了系统的类和对象数量。

• 使用场景：
    1️⃣ 需要生成的对象具有复杂的内部结构。
    2️⃣ 需要生成的对象内部属性本身相互依赖。

  建造者模式在创建复杂对象时非常有用，特别是当对象的构建过程涉及多个步骤或参数时。它可以提供更好的灵活性和可维护性，同时使得代码更加清晰可读。

• 注意事项：与工厂模式的区别是：建造者模式更加关注与零件装配的顺序。

瑞：建造者模式强调装配过程和顺序。建造者模式核心依靠指挥者类，如果不需要指挥者类，那就和工厂模式差不多。

1.2 概述

将一个复杂对象的构建与表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示

• 分离了部件的构造(由Builder来负责)和装配(由Director负责)。 从而可以构造出复杂的对象。这个模式适用于：某个对象的构建过程复杂的情况。
• 由于实现了构建和装配的解耦。不同的构建器，相同的装配，也可以做出不同的对象；相同的构建器，不同的装配顺序也可以做出不同的对象。也就是实现了构建算法、装配算法的解耦，实现了更好的复用。
• 建造者模式可以将部件和其组装过程分开，一步一步创建一个复杂的对象。用户只需要指定复杂对象的类型就可以得到该对象，而无须知道其内部的具体构造细节。

1.3 创作者模式的结构

• 建造者（Builder）模式包含如下角色：
    1️⃣ 抽象建造者类（Builder）：这个接口规定要实现复杂对象的那些部分的创建，并不涉及具体的部件对象的创建。
    2️⃣ 具体建造者类（ConcreteBuilder）：实现 Builder 接口，完成复杂产品的各个部件的具体创建方法。在构造过程完成后，提供产品的实例。
    3️⃣ 产品类（Product）：要创建的复杂对象。
    4️⃣ 指挥者类（Director）：调用具体建造者来创建复杂对象的各个部分，在指导者中不涉及具体产品的信息，只负责保证对象各部分完整创建或按某种顺序创建。

  类图如下：

---

2 案例一

2.1 需求

创建共享单车

  生产自行车是一个复杂的过程，它包含了车架，车座等组件的生产。而车架又有碳纤维，铝合金等材质的，车座有橡胶，真皮等材质。对于自行车的生产就可以使用建造者模式。

  这里Bike是产品，包含车架，车座等组件；Builder是抽象建造者，MobikeBuilder和OfoBuilder是具体的建造者；Director是指挥者。类图如下：

2.2 代码实现

自行车（类）

/**
 * 产品对象 - 自行车
 *
 * @author LiaoYuXing-Ray
 **/
public class Bike {

    /**
     * 车架
     */
    private String frame;
    /**
     * 车座
     */
    private String seat;

    public String getFrame() {
        return frame;
    }

    public void setFrame(String frame) {
        this.frame = frame;
    }

    public String getSeat() {
        return seat;
    }

    public void setSeat(String seat) {
        this.seat = seat;
    }
}

抽象建造者类（抽象类）（ 点此跳转对比 ）

/**
 * 抽象建造者类
 *
 * @author LiaoYuXing-Ray
 **/
public abstract class Builder {

    // 声明Bike类型的变量，并进行赋值
    protected Bike bike = new Bike();

    public abstract void buildFrame();
    public abstract void buildSeat();

    // 构建自行车的方法
    public abstract Bike createBike();
}

摩拜单车构建类（类）

/**
 * 摩拜单车构建类
 *  - 具体的构建者，用来构建摩拜单车对象
 *
 * @author LiaoYuXing-Ray
 **/
public class MobileBuilder extends Builder {

    public void buildFrame() {
        bike.setFrame("碳纤维车架");
    }

    public void buildSeat() {
        bike.setSeat("真皮车座");
    }

    public Bike createBike() {
        return bike;
    }
}

ofo单车构建类（类）

/**
 *  ofo单车构建类
 *  - 具体的构建者，用来构建ofo单车对象
 *
 * @author LiaoYuXing-Ray
 **/
public class OfoBuilder extends Builder {
    public void buildFrame() {
        bike.setFrame("铝合金车架");
    }

    public void buildSeat() {
        bike.setSeat("橡胶车座");
    }

    public Bike createBike() {
        return bike;
    }
}

指挥者类（类）

/**
 * 指挥者类
 *
 * @author LiaoYuXing-Ray
 **/
public class Director {

    // 声明builder类型的变量
    private final Builder builder;

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

    // 组装自行车的功能
    public Bike construct() {
        builder.buildFrame();
        builder.buildSeat();
        return builder.createBike();
    }
}

测试类

/**
 * 测试类
 *
 * @author LiaoYuXing-Ray
 **/
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建指挥者对象
        Director director = new Director(new MobileBuilder());
        // 让指挥者只会组装自行车
        Bike bike = director.construct();

        System.out.println(bike.getFrame());
        System.out.println(bike.getSeat());
    }
}

  代码运行结果如下：

	碳纤维车架
	真皮车座

注意：

  上面示例是 Builder模式的常规用法，指挥者类 Director 在建造者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，控制调用先后次序，并向调用者返回完整的产品类，但是有些情况下需要简化系统结构，可以把指挥者类和抽象建造者进行结合（点此跳转对比 ），如下：

/**
 * 抽象建造者类
 *
 * @author LiaoYuXing-Ray
 **/
 public abstract class Builder {

    protected Bike mBike = new Bike();

    public abstract void buildFrame();
    public abstract void buildSeat();
    public abstract Bike createBike();
    
    public Bike construct() {
        this.buildFrame();
        this.BuildSeat();
        return this.createBike();
    }
}

说明：

  这样做确实简化了系统结构，但同时也加重了抽象建造者类的职责，也不是太符合单一职责原则，如果construct() 过于复杂，建议还是封装到 Director 中。

---

3 案例二

本案例为菜鸟教程中的案例

3.1 需求

  我们假设一个快餐店的商业案例，其中，一个典型的套餐可以是一个汉堡（Burger）和一杯冷饮（Cold drink）。汉堡（Burger）可以是素食汉堡（Veg Burger）或鸡肉汉堡（Chicken Burger），它们是包在纸盒中。冷饮（Cold drink）可以是可口可乐（coke）或百事可乐（pepsi），它们是装在瓶子中。

  我们将创建一个表示食物条目（比如汉堡和冷饮）的 Item 接口和实现 Item 接口的实体类，以及一个表示食物包装的 Packing 接口和实现 Packing 接口的实体类，汉堡是包在纸盒中，冷饮是装在瓶子中。

  然后我们创建一个 Meal 类，带有 Item 的 ArrayList 和一个通过结合 Item 来创建不同类型的 Meal 对象的 MealBuilder。BuilderPatternDemo 类使用 MealBuilder 来创建一个 Meal。

  类图如下：

3.2 代码实现

步骤1
  创建一个表示食物条目和食物包装的接口。

Item.java

public interface Item {
   public String name();
   public Packing packing();
   public float price();    
}

Packing.java

public interface Packing {
   public String pack();
}

步骤2
  创建实现 Packing 接口的实体类。

Wrapper.java

public class Wrapper implements Packing {
 
   @Override
   public String pack() {
      return "Wrapper";
   }
}

Bottle.java

public class Bottle implements Packing {
 
   @Override
   public String pack() {
      return "Bottle";
   }
}

步骤3
  创建实现 Item 接口的抽象类，该类提供了默认的功能。

Burger.java

public abstract class Burger implements Item {
 
   @Override
   public Packing packing() {
      return new Wrapper();
   }
 
   @Override
   public abstract float price();
}

ColdDrink.java

public abstract class ColdDrink implements Item {
 
    @Override
    public Packing packing() {
       return new Bottle();
    }
 
    @Override
    public abstract float price();
}

步骤4
  创建扩展了 Burger 和 ColdDrink 的实体类。

VegBurger.java

public class VegBurger extends Burger {
 
   @Override
   public float price() {
      return 25.0f;
   }
 
   @Override
   public String name() {
      return "Veg Burger";
   }
}

ChickenBurger.java

public class ChickenBurger extends Burger {
 
   @Override
   public float price() {
      return 50.5f;
   }
 
   @Override
   public String name() {
      return "Chicken Burger";
   }
}

Coke.java

public class Coke extends ColdDrink {
 
   @Override
   public float price() {
      return 30.0f;
   }
 
   @Override
   public String name() {
      return "Coke";
   }
}

Pepsi.java

public class Pepsi extends ColdDrink {
 
   @Override
   public float price() {
      return 35.0f;
   }
 
   @Override
   public String name() {
      return "Pepsi";
   }
}

步骤5
  创建一个 Meal 类，带有上面定义的 Item 对象。

Meal.java

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
 
public class Meal {
   private List<Item> items = new ArrayList<Item>();    
 
   public void addItem(Item item){
      items.add(item);
   }
 
   public float getCost(){
      float cost = 0.0f;
      for (Item item : items) {
         cost += item.price();
      }        
      return cost;
   }
 
   public void showItems(){
      for (Item item : items) {
         System.out.print("Item : "+item.name());
         System.out.print(", Packing : "+item.packing().pack());
         System.out.println(", Price : "+item.price());
      }        
   }    
}

步骤6
  创建一个 MealBuilder 类，实际的 builder 类负责创建 Meal 对象。

MealBuilder.java

public class MealBuilder {
 
   public Meal prepareVegMeal (){
      Meal meal = new Meal();
      meal.addItem(new VegBurger());
      meal.addItem(new Coke());
      return meal;
   }   
 
   public Meal prepareNonVegMeal (){
      Meal meal = new Meal();
      meal.addItem(new ChickenBurger());
      meal.addItem(new Pepsi());
      return meal;
   }
}

步骤7
  BuiderPatternDemo 使用 MealBuilder 来演示建造者模式（Builder Pattern）。

public class BuilderPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      MealBuilder mealBuilder = new MealBuilder();
 
      Meal vegMeal = mealBuilder.prepareVegMeal();
      System.out.println("Veg Meal");
      vegMeal.showItems();
      System.out.println("Total Cost: " +vegMeal.getCost());
 
      Meal nonVegMeal = mealBuilder.prepareNonVegMeal();
      System.out.println("\n\nNon-Veg Meal");
      nonVegMeal.showItems();
      System.out.println("Total Cost: " +nonVegMeal.getCost());
   }
}

步骤8
  执行程序，输出结果：

	Veg Meal
	Item : Veg Burger, Packing : Wrapper, Price : 25.0
	Item : Coke, Packing : Bottle, Price : 30.0
	Total Cost: 55.0
	
	
	Non-Veg Meal
	Item : Chicken Burger, Packing : Wrapper, Price : 50.5
	Item : Pepsi, Packing : Bottle, Price : 35.0
	Total Cost: 85.5

---

4 模式拓展 ★★★

  建造者模式除了案例演示的用途外，在开发中还有一个常用的使用方式，就是当一个类构造器需要传入很多参数时，如果创建这个类的实例，代码可读性会非常差，而且很容易引入错误，此时就可以利用建造者模式进行重构。

重构格式：.Builder().(参数1).(参数2).(参数3)...

4.1 重构前

  重构前代码如下：

public class Phone {
    private String cpu;
    private String screen;
    private String memory;
    private String mainboard;

    public Phone(String cpu, String screen, String memory, String mainboard) {
        this.cpu = cpu;
        this.screen = screen;
        this.memory = memory;
        this.mainboard = mainboard;
    }

    public String getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(String cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public String getScreen() {
        return screen;
    }

    public void setScreen(String screen) {
        this.screen = screen;
    }

    public String getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(String memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public String getMainboard() {
        return mainboard;
    }

    public void setMainboard(String mainboard) {
        this.mainboard = mainboard;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Phone{" +
                "cpu='" + cpu + '\'' +
                ", screen='" + screen + '\'' +
                ", memory='" + memory + '\'' +
                ", mainboard='" + mainboard + '\'' +
                '}';
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //构建Phone对象
        Phone phone = new Phone("intel","三星屏幕","金士顿","华硕");
        System.out.println(phone);
    }
}

4.2 重构后

  上面在客户端代码中构建Phone对象，传递了四个参数，如果参数更多呢？代码的可读性及使用的成本就是比较高。

瑞：主要依靠：私有构造方法、内部静态类进行重构

  重构后代码：

public class Phone {

    private String cpu;
    private String screen;
    private String memory;
    private String mainboard;

    private Phone(Builder builder) {
        cpu = builder.cpu;
        screen = builder.screen;
        memory = builder.memory;
        mainboard = builder.mainboard;
    }

    public static final class Builder {
        private String cpu;
        private String screen;
        private String memory;
        private String mainboard;

        public Builder() {}

        public Builder cpu(String val) {
            cpu = val;
            return this;
        }
        public Builder screen(String val) {
            screen = val;
            return this;
        }
        public Builder memory(String val) {
            memory = val;
            return this;
        }
        public Builder mainboard(String val) {
            mainboard = val;
            return this;
        }
        public Phone build() {
            return new Phone(this);}
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Phone{" +
                "cpu='" + cpu + '\'' +
                ", screen='" + screen + '\'' +
                ", memory='" + memory + '\'' +
                ", mainboard='" + mainboard + '\'' +
                '}';
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone.Builder()
                .cpu("intel")
                .mainboard("华硕")
                .memory("金士顿")
                .screen("三星")
                .build();
        System.out.println(phone);
    }
}

重构后的代码在使用起来更方便，某种程度上也可以提高开发效率。从软件设计上，对程序员的要求比较高。

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5 总结

5.1 建造者模式优缺点

• 优点：
    1️⃣ 建造者模式的封装性很好。使用建造者模式可以有效的封装变化，在使用建造者模式的场景中，一般产品类和建造者类是比较稳定的，因此，将主要的业务逻辑封装在指挥者类中对整体而言可以取得比较好的稳定性。
    2️⃣ 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。
    3️⃣ 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。
    4️⃣ 建造者模式很容易进行扩展。如果有新的需求，通过实现一个新的建造者类就可以完成，基本上不用修改之前已经测试通过的代码，因此也就不会对原有功能引入风险。符合开闭原则。

• 缺点：
    1️⃣ 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。

5.2 建造者模式使用场景

  建造者模式创建的是复杂对象，其产品的各个部分经常面临着剧烈的变化，但将它们组合在一起的算法却相对稳定，所以它通常在以下场合使用：

• 创建的对象较复杂，由多个部件构成，各部件面临着复杂的变化，但构件间的建造顺序是稳定的。
• 创建复杂对象的算法独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式，即产品的构建过程和最终的表示是独立的。

5.3 建造者模式 VS 工厂方法模式

  工厂方法模式注重的是整体对象的创建方式；而建造者模式注重的是部件构建的过程，意在通过一步一步地精确构造创建出一个复杂的对象。

  我们举个简单例子来说明两者的差异，如要制造一个超人，如果使用工厂方法模式，直接产生出来的就是一个力大无穷、能够飞翔、内裤外穿的超人；而如果使用建造者模式，则需要组装手、头、脚、躯干等部分，然后再把内裤外穿，于是一个超人就诞生了。

5.4 建造者模式 VS 抽象工厂模式

  抽象工厂模式实现对产品家族的创建，一个产品家族是这样的一系列产品：具有不同分类维度的产品组合，采用抽象工厂模式则是不需要关心构建过程，只关心什么产品由什么工厂生产即可。

  建造者模式则是要求按照指定的蓝图建造产品，它的主要目的是通过组装零配件而产生一个新产品。

  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。

5.5 建造者模式 VS 链式编程

  链式编程（Chaining）是一种编程风格，其中方法返回其对象本身，以便可以在同一个对象上调用更多的方法。这种风格的优点是代码更加简洁和易读，因为你可以将多个操作链接在一起，而不需要使用大量的中间变量。在许多现代编程语言中，链式编程已经成为一种常见的模式，尤其是在处理集合和数据流时。
  建造者模式是一种设计模式，属于创建型模式，它提供了一种构建对象的最佳方式。建造者模式主要是创建一个复杂的对象，该对象由许多部分组成，并且这些部分必须以特定的顺序和方式进行组合。

  链式编程和建造者模式是两种不同的编程范式，但它们在某些方面有一些相似之处：

  虽然链式编程和建造者模式都是关于构建和组合对象或操作的，但它们有一些关键的区别：链式编程是一种编程风格，它强调的是简洁性和易读性，通常用于处理集合和数据流。建造者模式是一种设计模式，它关注的是如何构建复杂的对象，并确保这些对象的构建符合特定的规则和顺序。

  在实践中，链式编程和建造者模式可以一起使用。例如，在Java的Stream API中，可以使用链式编程风格来处理数据流，同时也可以使用建造者模式来构建复杂的查询和操作。通过结合这两种范式，你可以编写出更加清晰、易于理解和维护的代码。

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本文是博主的粗浅理解，可能存在一些错误或不完善之处，如有遗漏或错误欢迎各位补充，谢谢

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