设计模式笔记17：建造者模式(Builder Pattern)
一、建造者模式的内容
对象性质的建造
有些情况下，一个对象会有一些重要的性质，在它们没有恰当的值之前，对象不能作为一个完整的产品使用。比如，一个电子邮件有发件人地址、收件人地址、主题、内容、附录等部分，而在最起码的收件人地址未被赋值之前，这个电子邮件不能发出。
有些情况下，一个对象的一些性质必须按照某个顺序赋值才有意义。在某个性质没有赋值之前，另一个性质则无法赋值。这些情况使得性质本身的建造涉及到复杂的商业逻辑。
这时候，此对象相当于一个有待建造的产品，而对象的这些性质相当于产品的零件，建造产品的过程就是组合零件的过程。由于组合零件的过程很复杂，因此，这些"零件"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全部零件都建造完毕的产品对象。
无论是在现实世界中还是在软件系统中，都存在一些复杂的对象，它们拥有多个组成部分，如汽车，它包括车轮、方向盘、发送机等各种部件。而对于大多数用户而言，无须知道这些部件的装配细节，也几乎不会使用单独某个部件，而是使用一辆完整的汽车，可以通过建造者模式对其进行设计与描述，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。
在软件开发中，也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。
命名的考虑
之所以使用"建造者"而没有用"生成器"就是因为用零件生产产品，"建造"更为合适，"创建"或"生成"不太恰当。
二、建造者模式的结构
建造者（Builder）角色：给出一个抽象接口，以规范产品对象的各个组成成分的建造。一般而言，此接口独立于应用程序的商业逻辑。模式中直接创建产品对象的是具体建造者（ConcreteBuilder）角色。具体建造者类必须实现这个接口所要求的方法：一个是建造方法，另一个是结果返还方法。
具体建造者（Concrete Builder）角色：担任这个角色的是于应用程序紧密相关的类，它们在应用程序调用下创建产品实例。这个角色主要完成的任务包括：
- 实现Builder角色提供的接口，一步一步完成创建产品实例的过程。
- 在建造过程完成后，提供产品的实例。
指导者（Director）角色：担任这个角色的类调用具体建造者角色以创建产品对象。导演者并没有产品类的具体知识，真正拥有产品类的具体知识的是具体建造者对象。
产品（Product）角色：产品便是建造中的复杂对象。
指导者角色是于客户端打交道的角色。导演者角色将客户端创建产品的请求划分为对各个零件的建造请求，再将这些请求委派给具体建造者角色。具体建造者角色是做具体建造工作的，但却不为客户端所知。
三、建造者模式示例代码
public class Meal
{
//food和drink是部件
private String food;
private String drink;
public void setFood(String food) {
this.food = food;
}
public void setDrink(String drink) {
this.drink = drink;
}
public String getFood() {
return (this.food);
}
public String getDrink() {
return (this.drink);
}
}
public abstract class MealBuilder
{
protected Meal meal=new Meal();
public abstract void buildFood();
public abstract void buildDrink();
public Meal getMeal()
{
return meal;
}
}
public class SubMealBuilderA extends MealBuilder
{
public void buildFood()
{
meal.setFood("一个鸡腿堡");
}
public void buildDrink()
{
meal.setDrink("一杯可乐");
}
}
public class SubMealBuilderB extends MealBuilder
{
public void buildFood()
{
meal.setFood("一个鸡肉卷");
}
public void buildDrink()
{
meal.setDrink("一杯果汁");
}
}
public class KFCWaiter
{
private MealBuilder mb;
public void setMealBuilder(MealBuilder mb)
{
this.mb=mb;
}
public Meal construct()
{
mb.buildFood();
mb.buildDrink();
return mb.getMeal();
}
}
<?xml version="1.0"?>
<config>
<className>SubMealBuilderB</className>
</config>
import javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import org.xml.sax.SAXException;
import java.io.*;
public class XMLUtil
{
//该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象
public static Object getBean()
{
try
{
//创建文档对象
DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
Document doc;
doc = builder.parse(new File("config.xml"));
//获取包含类名的文本节点
NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");
Node classNode=nl.item(0).getFirstChild();
String cName=classNode.getNodeValue();
//通过类名生成实例对象并将其返回
Class c=Class.forName(cName);
Object obj=c.newInstance();
return obj;
}
catch(Exception e)
{
e.printStackTrace();
return null;
}
}
}
public class Client
{
public static void main(String args[])
{
//动态确定套餐种类
MealBuilder mb=(MealBuilder)XMLUtil.getBean();
//服务员是指挥者
KFCWaiter waiter=new KFCWaiter();
//服务员准备套餐
waiter.setMealBuilder(mb);
//客户获得套餐
Meal meal=waiter.construct();
System.out.println("套餐组成：");
System.out.println(meal.getFood());
System.out.println(meal.getDrink());
}
}
四、建造者模式分析
建造者模式的结构中还引入了一个指挥者类Director，该类的作用主要有两个：一方面它隔离了客户与生产过程；另一方面它负责控制产品的生成过程。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。
五、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。
六、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。
七、建造者模式优缺点
建造者模式的优点- 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”。
建造者模式的缺点如下：
- 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。
八、建造者模式适用环境
在以下情况下可以使用建造者模式：- 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。
九、建造者模式应用
(1) JavaMail（一步一步构造一个完整的邮件对象，然后发送）
//由邮件会话对象新建一个邮件消息对象
MimeMessage message=new MimeMessage(session);
//设置邮件地址
InternetAddress from=new InternetAddress("[email protected]");
message.setFrom(from);//设置发件人
InternetAddress to=new InternetAddress(to_mail);
message.setRecipient(Message.RecipientType.TO,to);//设置收件人，并设置其接收类型为TO
message.setSubject(to_title);//设置主题
message.setText(to_content);//设置信件内容
message.setSentDate(new Date());//设置发信时间
message.saveChanges();//存储邮件信息
Transport transport=session.getTransport("smtp");
transport.connect("smtp.test.com","test","test");
transport.sendMessage(message,message.getAllRecipients());(2) 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。
Builder (recognizeable by creational methods returning the instance itself)
-
java.lang.StringBuilder#append()(unsynchronized) -
java.lang.StringBuffer#append()(synchronized) -
java.nio.ByteBuffer#put()(also onCharBuffer,ShortBuffer,IntBuffer,LongBuffer,FloatBufferandDoubleBuffer) -
javax.swing.GroupLayout.Group#addComponent() - All implementations of
java.lang.Appendable
十、参考资料
- http://blog.csdn.net/rocket5725/article/details/4296472
- 《设计模式》刘伟主编清华大学出版社