研磨设计模式 之 生成器模式（Builder）3 ——跟着cc学设计系列

8.3  模式讲解

8.3.1  认识生成器模式

（1）生成器模式的功能

生成器模式的主要功能是构建复杂的产品，而且是细化的，分步骤的构建产品，也就是生成器模式重在解决一步一步构造复杂对象的问题。如果光是这么认识生成器模式的功能是不够的。

更为重要的是，这个构建的过程是统一的，固定不变的，变化的部分放到生成器部分了，只要配置不同的生成器，那么同样的构建过程，就能构建出不同的产品表示来。

再直白点说，生成器模式的重心在于分离构建算法和具体的构造实现，从而使得构建算法可以重用，具体的构造实现可以很方便的扩展和切换，从而可以灵活的组合来构造出不同的产品对象。

（2）生成器模式的构成

要特别注意，生成器模式分成两个很重要的部分：

• 一个部分是Builder接口这边，这边是定义了如何构建各个部件，也就是知道每个部件功能如何实现，以及如何装配这些部件到产品中去；
• 另外一个部分是Director这边，Director是知道如何组合来构建产品，也就是说Director负责整体的构建算法，而且通常是分步骤的来执行。

不管如何变化，Builder模式都存在这么两个部分，一个部分是部件构造和产品装配，另一个部分是整体构建的算法。认识这点是很重要的，因为在生成器模式中，强调的是固定整体构建的算法，而灵活扩展和切换部件的具体构造和产品装配的方式，所以要严格区分这两个部分。

在Director实现整体构建算法的时候，遇到需要创建和组合具体部件的时候，就会把这些功能通过委托，交给Builder去完成。

（3）生成器模式的使用

应用生成器模式的时候，可以让客户端创造Director，在Director里面封装整体构建算法，然后让Director去调用Builder，让Builder来封装具体部件的构建功能，这就跟前面的例子一样。

还有一种退化的情况，就是让客户端和Director融合起来，让客户端直接去操作Builder，就好像是指导者自己想要给自己构建产品一样。

（4）生成器模式的调用顺序示意图

生成器模式的调用顺序如图8.3所示：

 

图8.3  生成器模式的调用顺序示意图

8.3.2  生成器模式的实现

（1）生成器的实现

实际上在Builder接口的实现中，每个部件构建的方法里面，除了部件装配外，也可以实现如何具体的创建各个部件对象，也就是说每个方法都可以有两部分功能，一个是创建部件对象，一个是组装部件。

在构建部件的方法里面可以实现选择并创建具体的部件对象，然后再把这个部件对象组装到产品对象中去，这样一来，Builder就可以和工厂方法配合使用了。

再进一步，如果在实现Builder的时候，只有创建对象的功能，而没有组装的功能，那么这个时候的Builder实现跟抽象工厂的实现是类似的。

这种情况下，Builder接口就类似于抽象工厂的接口，Builder的具体实现就类似于具体的工厂，而且Builder接口里面定义的创建各个部件的方法也是有关联的，这些方法是构建一个复杂对象所需要的部件对象，仔细想想，是不是非常类似呢。

（2）指导者的实现

       在生成器模式里面，指导者承担的是整体构建算法部分，是相对不变的部分。因此在实现指导者的时候，把变化的部分分离出去是很重要的。

       其实指导者分离出去的变化部分，就到了生成器那边，指导者知道整体的构建算法，就是不知道如何具体的创建和装配部件对象。

       因此真正的指导者实现，并不仅仅是如同前面示例那样，简单的按照一定顺序调用生成器的方法来生成对象，并没有这么简单。应该是有较为复杂的算法和运算过程，在运算过程中根据需要，才会调用生成器的方法来生成部件对象。

（3）指导者和生成器的交互

       在生成器模式里面，指导者和生成器的交互，是通过生成器的那些buildPart方法来完成的。在前面的示例中，指导者和生成器是没有太多相互交互的，指导者仅仅只是简单的调用了一下生成器的方法，在实际开发中，这是远远不够的。

       指导者通常会实现比较复杂的算法或者是运算过程，在实际中很可能会有这样的情况：

• 在运行指导者的时候，会按照整体构建算法的步骤进行运算，可能先运行前几步运算，到了某一步骤，需要具体创建某个部件对象了，然后就调用Builder中创建相应部件的方法来创建具体的部件。同时，把前面运算得到的数据传递给Builder，因为在Builder内部实现创建和组装部件的时候，可能会需要这些数据
• Builder创建完具体的部件对象后，会把创建好的部件对象返回给指导者，指导者继续后续的算法运算，可能会用到已经创建好的对象
• 如此反复下去，直到整个构建算法运行完成，那么最终的产品对象也就创建好了

通过上面的描述，可以看出指导者和生成器是需要交互的，方式就是通过生成器方法的参数和返回值，来回的传递数据。事实上，指导者是通过委托的方式来把功能交给生成器去完成。

（4）返回装配好的产品的方法

在标准的生成器模式里面，在Builder实现里面会提供一个返回装配好的产品的方法，在Builder接口上是没有的。它考虑的是最终的对象一定要通过部件构建和装配，才算真正创建了，而具体干活的就是这个Builder实现，虽然指导者也参与了，但是指导者是不负责具体的部件创建和组装的，因此客户端是从Builder实现里面获取最终装配好的产品。

当然在Java里面，我们也可以把这个方法添加到Builder接口里面。

（5）关于被构建的产品的接口

在使用生成器模式的时候，大多数情况下是不知道最终构建出来的产品是什么样的，所以在标准的生成器模式里面，一般是不需要对产品定义抽象接口的，因为最终构造的产品千差万别，给这些产品定义公共接口几乎是没有意义的。

8.3.3  使用生成器模式构建复杂对象

考虑这样一个实际应用，要创建一个保险合同的对象，里面很多属性的值都有约束，要求创建出来的对象是满足这些约束规则的。约束规则比如：保险合同通常情况下可以和个人签订，也可以和某个公司签订，但是一份保险合同不能同时与个人和公司签订。这个对象里面有很多类似这样的约束，那么该如何来创建这个对象呢？

要想简洁直观、安全性好、又具有很好的扩展性的来创建这个对象的话，一个很好的选择就是使用Builder模式，把复杂的创建过程通过buidler来实现。

采用Builder模式来构建复杂的对象，通常会对Builder模式进行一定的简化，因为目标明确，就是创建某个复杂对象，因此做适当简化会使程序更简洁，大致简化如下：

• 由于是用Builder模式来创建某个对象，因此就没有必要再定义一个Builder接口，直接提供一个具体的构建器类就可以了
• 对于创建一个复杂的对象，可能会有很多种不同的选择和步骤，干脆去掉“指导者”，把指导者的功能和Client的功能合并起来，也就是说，Client这个时候就相当于指导者，它来指导构建器类去构建需要的复杂对象

还是来看看示例会比较清楚，为了实例简单，先不去考虑约束的实现，只是考虑如何通过Builder模式来构建复杂对象。

1：使用Builder模式来构建复杂对象，先不考虑带约束

（1）先看一下保险合同的对象，示例代码如下：

/**  * 保险合同的对象  */ public class InsuranceContract {     /**      * 保险合同编号      */     private String contractId;     /**      * 被保险人员的名称，同一份保险合同，要么跟人员签订，要么跟公司签订，      * 也就是说，"被保险人员"和"被保险公司"这两个属性，不可能同时有值      */     private String personName;     /**      * 被保险公司的名称      */     private String companyName;     /**      * 保险开始生效的日期      */     private long beginDate;     /**      * 保险失效的日期，一定会大于保险开始生效的日期      */     private long endDate;     /**      * 示例：其它数据      */     private String otherData;       /**      * 构造方法，访问级别是同包能访问      */     InsuranceContract(ConcreteBuilder builder){        this.contractId = builder.getContractId();        this.personName = builder.getPersonName();        this.companyName = builder.getCompanyName();        this.beginDate = builder.getBeginDate();        this.endDate = builder.getEndDate();        this.otherData = builder.getOtherData();     }       /**      * 示意：保险合同的某些操作      */     public void someOperation(){        System.out.println(                        "Now in Insurance Contract someOperation=="                        +this.contractId);     } }

注意上例中的构造方法是default的访问权限，也就是不希望外部的对象直接通过new来构建保险合同对象；另外构造方法传入的是构建器对象，里面包含有所有保险合同需要的数据。

（2）看一下具体的构建器的实现，示例代码如下：

/**  * 构造保险合同对象的构建器  */ public class ConcreteBuilder {     private String contractId;     private String personName;     private String companyName;     private long beginDate;     private long endDate;     private String otherData;     /**      * 构造方法，传入必须要有的参数      * @param contractId 保险合同编号      * @param beginDate 保险开始生效的日期      * @param endDate 保险失效的日期      */     public ConcreteBuilder(String contractId,long beginDate,long endDate){        this.contractId = contractId;        this.beginDate = beginDate;        this.endDate = endDate;     }     /**      * 选填数据，被保险人员的名称      * @param personName  被保险人员的名称      * @return 构建器对象      */     public ConcreteBuilder setPersonName(String personName){        this.personName = personName;        return this;     }     /**      *  选填数据，被保险公司的名称      * @param companyName 被保险公司的名称      * @return 构建器对象      */     public ConcreteBuilder setCompanyName(String companyName){        this.companyName = companyName;        return this;     }     /**      * 选填数据，其它数据      * @param otherData 其它数据      * @return 构建器对象      */     public ConcreteBuilder setOtherData(String otherData){        this.otherData = otherData;        return this;     }     /**      * 构建真正的对象并返回      * @return 构建的保险合同的对象      */     public InsuranceContract build(){        return new InsuranceContract(this);     }       public String getContractId() {        return contractId;     }     public String getPersonName() {        return personName;     }     public String getCompanyName() {        return companyName;     }     public long getBeginDate() {        return beginDate;     }     public long getEndDate() {        return endDate;     }     public String getOtherData() {        return otherData;     } }

       注意上例中，构建器提供了类似于setter的方法，来供外部设置需要的参数，为何说是类似于setter方法呢？请注意观察，每个这种方法都有返回值，返回的是构建器对象，这样客户端就可以通过连缀的方式来使用Builder，以创建他们需要的对象。

（3）接下来看看此时的Client，如何使用上面的构建器来创建保险合同对象，示例代码如下：

public class Client {     public static void main(String[] args) {        //创建构建器        ConcreteBuilder builder =                            new ConcreteBuilder("001",12345L,67890L);        //设置需要的数据，然后构建保险合同对象        InsuranceContract contract = builder                .setPersonName("张三").setOtherData("test").build();        //操作保险合同对象的方法        contract.someOperation();     } }

运行结果如下：

Now in Insurance Contract someOperation==001

看起来通过Builder模式构建对象也很简单，接下来，把约束加上去，看看如何实现。

2：使用Builder模式来构建复杂对象，考虑带约束规则

       要带着约束规则构建复杂对象，大致的实现步骤与刚才的实现并没有什么不同，只是需要在刚才的实现上把约束规则添加上去。

       通常有两个地方可以添加约束规则：

• 一个是构建器的每一个类似于setter的方法，可以在这里进行单个数据的约束规则校验，如果不正确，就抛出IllegalStateException
• 另一个是构建器的build方法，在创建保险合同对象之前，对所有的数据都可以进行数据的约束规则校验，尤其是那些涉及到几个数据之间的约束关系，在这里校验会比较合适。如果不正确，同样抛出IllegalStateException

这里选择在构建器的build方法里面，进行数据的整体校验，由于其它的代码都没有变化，因此就不去赘述了，新的build方法的示例代码如下：

/**      * 构建真正的对象并返回      * @return 构建的保险合同的对象      */     public InsuranceContract build(){        if(contractId==null || contractId.trim().length()==0){            throw new IllegalArgumentException("合同编号不能为空");        }        boolean signPerson =                   personName!=null && personName.trim().length()>0;        boolean signCompany =                companyName!=null && companyName.trim().length()>0;          if(signPerson && signCompany){            throw new IllegalArgumentException(                                       "一份保险合同不能同时与人和公司签订");        }             if(signPerson==false && signCompany==false){            throw new IllegalArgumentException(                                       "一份保险合同不能没有签订对象");        }        if(beginDate<=0){            throw new IllegalArgumentException(                                       "合同必须有保险开始生效的日期");        }        if(endDate<=0){            throw new IllegalArgumentException(                                       "合同必须有保险失效的日期");        }        if(endDate<=beginDate){            throw new IllegalArgumentException(                                       "保险失效的日期必须大于保险生效日期");        }          return new InsuranceContract(this);     }

你可以修改客户端的构建代码，传入不同的数据，看看这些约束规则是否能够正常工作，当然类似的规则还有很多，这里就不去深究了。

3：进一步，把构建器对象和被构建对象合并

其实，在实际开发中，如果构建器对象和被构建的对象是这样分开的话，可能会导致同包内的对象不使用构建器来构建对象，而是直接去使用new来构建对象，这会导致错误；另外，这个构建器的功能就是为了创建被构建的对象，完全可以不用单独一个类。

对于这种情况，重构的手法通常是将类内联化（Inline Class），放到这里来，简单点说就是把构建器对象合并到被构建对象里面去。

还是看看示例会比较清楚，示例代码如下：

public class InsuranceContract {     private String contractId;     private String personName;     private String companyName;     private long beginDate;     private long endDate;     private String otherData;       /**      * 构造方法，访问级别是私有的      */     private InsuranceContract(ConcreteBuilder builder){        this.contractId = builder.contractId;        this.personName = builder.personName;        this.companyName = builder.companyName;        this.beginDate = builder.beginDate;        this.endDate = builder.endDate;        this.otherData = builder.otherData;     }       /**      * 构造保险合同对象的构建器，作为保险合同的类级内部类      */     public static class ConcreteBuilder {        private String contractId;        private String personName;        private String companyName;        private long beginDate;        private long endDate;        private String otherData;        /**         * 构造方法，传入必须要有的参数         * @param contractId 保险合同编号         * @param beginDate 保险开始生效的日期         * @param endDate 保险失效的日期         */        public ConcreteBuilder(String contractId,                                    long beginDate,long endDate){            this.contractId = contractId;            this.beginDate = beginDate;            this.endDate = endDate;        }        /**         * 选填数据，被保险人员的名称         * @param personName  被保险人员的名称         * @return 构建器对象         */        public ConcreteBuilder setPersonName(String personName){            this.personName = personName;            return this;        }        /**         *  选填数据，被保险公司的名称         * @param companyName 被保险公司的名称         * @return 构建器对象         */        public ConcreteBuilder setCompanyName(String companyName){            this.companyName = companyName;            return this;        }        /**         * 选填数据，其它数据         * @param otherData 其它数据         * @return 构建器对象         */        public ConcreteBuilder setOtherData(String otherData){            this.otherData = otherData;            return this;        }        /**         * 构建真正的对象并返回         * @return 构建的保险合同的对象         */        public InsuranceContract build(){            if(contractId==null || contractId.trim().length()==0){               throw new IllegalArgumentException(                                               "合同编号不能为空");            }            boolean signPerson =                   personName!=null && personName.trim().length()>0;            boolean signCompany =                 companyName!=null && companyName.trim().length()>0;            if(signPerson && signCompany){               throw new IllegalArgumentException(                                  "一份保险合同不能同时与人和公司签订");            }                 if(signPerson==false && signCompany==false){               throw new IllegalArgumentException(                                  "一份保险合同不能没有签订对象");            }            if(beginDate<=0){               throw new IllegalArgumentException(                                  "合同必须有保险开始生效的日期");            }            if(endDate<=0){               throw new IllegalArgumentException(                                  "合同必须有保险失效的日期");            }            if(endDate<=beginDate){               throw new IllegalArgumentException(                                  "保险失效的日期必须大于保险生效日期");            }              return new InsuranceContract(this);        }     }       /**      * 示意：保险合同的某些操作      */     public void someOperation(){        System.out.println(                         "Now in Insurance Contract someOperation=="                         +this.contractId);     } }

通过上面的示例可以看出，这种实现方式会更简单和直观。

此时客户端的写法也发生了一点变化，主要就是创建构造器的地方需要变化，示例代码如下：

public class Client {     public static void main(String[] args) {        //创建构建器        InsuranceContract.ConcreteBuilder builder =       new InsuranceContract.ConcreteBuilder("001",12345L,67890L);        //设置需要的数据，然后构建保险合同对象        InsuranceContract contract = builder                .setPersonName("张三").setOtherData("test").build();        //操作保险合同对象的方法        contract.someOperation();     } }

去测试一下看看，体会一下使用Builder模式来构建复杂对象，尤其是在构造方法需要大量参数，或者是构建带约束规则的复杂对象时的使用方式。

8.3.4  生成器模式的优缺点

l          松散耦合
    生成器模式可以用同一个构建算法，构建出表现上完全不同的产品，实现产品构建和产品表现上的分离。生成器模式正是把产品构建的过程独立出来，使它和具体产品的表现松散耦合，从而使得构建算法可以复用，而具体产品表现也可以灵活的、方便的扩展和切换。

l          可以很容易的改变产品的内部表示
    在生成器模式中，由于Builder对象只是提供接口给Director使用，那么具体的部件创建和装配方式是被Builder接口隐藏了的，Director并不知道这些具体的实现细节。这样一来，要想改变产品的内部表示，只需要切换Builder的具体实现即可，不用管Director，因此变得很容易。

l          更好的复用性
    生成器模式很好的实现了构建算法和具体产品实现的分离，这样一来，使得构建产品的算法可以复用。同样的道理，具体产品的实现也可以复用，同一个产品的实现，可以配合不同的构建算法使用。

8.3.5  思考生成器模式

1：生成器模式的本质

生成器模式的本质：分离整体构建算法和部件构造。

       构建一个复杂的对象，本来就有构建的过程，以及构建过程中具体的实现，生成器模式就是用来分离这两个部分，从而使得程序结构更松散、扩展更容易、复用性更好，同时也会使得代码更清晰，意图更明确。

虽然在生成器模式的整体构建算法中，会一步一步引导Builder来构建对象，但这并不是说生成器就主要是用来实现分步骤构建对象的。生成器模式的重心还是在于分离整体构建算法和部件构造，而分步骤构建对象不过是整体构建算法的一个简单表现，或者说是一个附带产物。

2：何时选用生成器模式

建议在如下情况中，选用生成器模式：

• 如果创建对象的算法，应该独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式时
• 如果同一个构建过程有着不同的表示时

8.3.6  相关模式

l          生成器模式和工厂方法模式
    这两个模式可以组合使用。
    生成器模式的Builder实现中，通常需要选择具体的部件实现，一个可行的方案就是实现成为工厂方法，通过工厂方法来获取具体的部件对象，然后再进行部件的装配。

l          生成器模式和抽象工厂模式
    这两个模式既相似又有区别，也可以组合使用
    先说相似性，这个在8.3.2小节的第一个小题目里面已经详细讲述了，这里就不去重复了。
    再说说区别：抽象工厂模式的主要目的是创建产品簇，这个产品簇里面的单个产品，就相当于是构成一个复杂对象的部件对象，抽象工厂对象创建完成过后就立即返回整个产品簇；而生成器模式的主要目的是按照构造算法，一步一步来构建一个复杂的产品对象，通常要等到整个构建过程结束过后，才会得到最终的产品对象。
    事实上，这两个模式是可以组合使用的，在生成器模式的Builder实现中，需要创建各个部件对象，而这些部件对象是有关联的，通常是构成一个复杂对象的部件对象，也就是说，Builder实现中，需要获取构成一个复杂对象的产品簇，那自然就可以使用抽象工厂模式来实现。这样一来，由抽象工厂模式负责了部件对象的创建，Builder实现里面就主要负责产品对象整体的构建了。

l          生成器模式和模板方法模式
    这也是两个非常类似的模式。初看之下，不会觉得这两个模式有什么关联，但是仔细一思考，发现两个模式在功能上很类似。
    模板方法模式主要是用来定义算法的骨架，把算法中某些步骤延迟到子类中实现。再想想生成器模式，Director用来定义整体的构建算法，把算法中某些涉及到具体部件对象的创建和装配的功能，委托给具体的Builder来实现。
    虽然生成器不是延迟到子类，是委托给Builder，但那只是具体实现方式上的差别，从实质上看两个模式很类似，都是定义一个固定的算法骨架，然后把算法中的某些具体步骤交给其它类来完成，都能实现整体算法步骤和某些具体步骤实现的分离。
    当然两个模式也有很大的区别，首先是模式的目的，生成器模式是用来构建复杂对象的，而模板方法是用来定义算法骨架，尤其是一些复杂的业务功能的处理算法的骨架；其次是模式的实现，生成器模式是采用委托的方法，而模板方法是采用的继承的方式；另外从使用的复杂度上，生成器模式需要组合Director和Builder对象，然后才能开始构建，要等构建完后才能获得最终的对象，而模板方法就没有这么麻烦，直接使用子类对象即可。

l          生成器模式和组合模式
    这两个模式可以组合使用。
    对于复杂的组合结构，可以使用生成器模式来一步一步构建。

 

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