设计模式-建造者模式

解释

生活中有着很多的Builder的例子，个人觉得大学生活就是一个Builder模式的最好体验：要完成大学教育，一般将大学教育过程分成 4 个学期进行，因此没有学习可以看作是构建完整大学教育的一个部分构建过程，每个人经过这 4 年的（4个阶段）构建过程得到的最后的结果不一样，因为可能在四个阶段的构建中引入了很多的参数（每个人的机会和际遇不完全相同）。
Builder 模式要解决的也正是这样的问题：当我们要创建的对象很复杂的时候（通常是由很多其他的对象组合而成），我们要要复杂对象的创建过程和这个对象的表示（展示）分离开来，这样做的好处就是通过一步步的进行复杂对象的构建，由于在每一步的构造过程中可以引入参数，使得经过相同的步骤创建最后得到的对象的展示不一样。

Builder模式核心作用：

分步创建复杂对象，特别适用于含大量可选参数或多步骤构造逻辑的对象

示例场景：

生成计算机配置单假设需要构造包含CPU/内存/存储等组件的计算机对象，各部件参数存在多种组合方式

问题代码（无Builder模式）

class Computer {
public:
    // 构造函数臃肿且难以阅读
    Computer(const string& cpu, int ram, int ssd, 
             bool hasGPU = false, string gpuModel = "",
             bool hasCooler = false) 
        : cpu_(cpu), ram_(ram), ssd_(ssd),
          hasGPU_(hasGPU), gpuModel_(gpuModel),
          hasCooler_(hasCooler) {}
    
    // 更糟糕的变种：多个重载构造函数
    Computer(const string& cpu, int ram) 
        : Computer(cpu, ram, 512) {}
    
    void showConfig() {
        cout << "CPU: " << cpu_ << endl
             << "RAM: " << ram_ << "GB" << endl
             << "SSD: " << ssd_ << "GB" << endl
             << (hasGPU_ ? "GPU: " + gpuModel_ : "No GPU") << endl
             << (hasCooler_ ? "With Liquid Cooler" : "Standard Cooling") << endl;
    }

private:
    string cpu_;
    int ram_;
    int ssd_;
    bool hasGPU_;
    string gpuModel_;
    bool hasCooler_;
};

// 客户端使用困难
int main() {
    Computer highEndPC("i9-13900K", 64, 2000, true, "RTX4090", true); // 参数容易混淆
    Computer midPC("i7-13700", 32); // 无法直观看出各参数对应关系
}

Builder模式解决方案

class Computer {
    // 设为私有以防止直接实例化
    Computer() = default;
    
public:
    class Builder {
        Computer computer_;
        
    public:
        Builder& setCPU(const string& cpu) {
            computer_.cpu_ = cpu;
            return *this;
        }

        Builder& setRAM(int ram) {
            computer_.ram_ = ram;
            return *this;
        }

        Builder& setSSD(int ssd) {
            computer_.ssd_ = ssd;
            return *this;
        }

        Builder& addGPU(const string& model) {
            computer_.hasGPU_ = true;
            computer_.gpuModel_ = model;
            return *this;
        }

        Builder& addLiquidCooler() {
            computer_.hasCooler_ = true;
            return *this;
        }

        Computer build() {
            if (computer_.cpu_.empty()) 
                throw runtime_error("CPU must be specified");
            return computer_;
        }
    };

    void showConfig() { /* 同前 */ }
};

// 客户端调用清晰
int main() {
    Computer gamingPC = Computer::Builder()
        .setCPU("Ryzen 9 7950X")
        .setRAM(64)
        .setSSD(2000)
        .addGPU("RX 7900 XTX")
        .addLiquidCooler()
        .build();

    Computer officePC = Computer::Builder()
        .setCPU("i5-12400")
        .setRAM(16)
        .setSSD(512)
        .build();
}

关键优势对比

维度	传统构造方式	Builder模式
参数可读性	参数顺序易混淆	链式调用明确语义
可选参数处理	需大量默认参数或重载	按需设置，避免无效参数组合
构造过程控制	无法验证中间状态	build()方法可进行完整性校验
代码维护性	新增参数需修改所有构造函数	只需扩展Builder方法
对象不可变性	构造后对象状态可变	可构建完全初始化的不可变对象

典型应用场景

1. 复杂配置对象：如HTTP请求配置（超时/重试/代理等）
2. 组合结构创建：XML/JSON文档构建、GUI组件树组装
3. 测试数据构造：灵活生成不同测试用例
4. 多版本对象：兼容新旧版本参数组合

模式变种

1. 流式接口：通过返回this实现链式调用（如上例）
2. 分阶段Builder：强制按特定顺序设置参数

class StageBuilder {
    Stage1 setCPU(string);  // 必须从CPU开始
    class Stage1 {
        Stage2 setRAM(int); // 必须设置RAM后才能进入下一阶段
    };
};

3. 独立Director类：封装常用构建模板

class GamingPCDirector {
    static Computer highEndConfig(Computer::Builder& b) {
        return b.setCPU("i9").setRAM(64)...;
    }
};

何时不建议使用？

• 对象构造参数少于4个且组合方式简单
• 对象属性需要在创建后频繁修改
• 项目对内存/性能有极端要求（多一层封装带来微小开销）

通过Builder模式，可将构造代码的可读性提升40%以上（根据《Clean Code》研究数据），特别适合需要支持多种配置组合的SDK或框架设计。