【设计模式】建造者模式(生成器模式)

建造者模式(生成器模式)

介绍

没有人买车会只买一个轮胎或者方向盘,大家买的都是一辆包含轮胎、方向盘和发动机等多个部件的完整汽车。如何将这些部件组装成一辆完整的汽车并返回给用户,这是建造者模式需要解决的问题。建造者模式又称为生成器模式,它是一种较为复杂、使用频率也相对较低的创建型模式。建造者模式为客户端返回的不是一个简单的产品,而是一个由多个部件组成的复杂产品。

建造者模式是较为复杂的创建型模式,它将客户端与包含多个组成部分(或部件)的复杂对象的创建过程分离,客户端无须知道复杂对象的内部组成部分与装配方式,只需要知道所需建造者的类型即可。它关注如何一步一步创建一个的复杂对象,不同的具体建造者定义了不同的创建过程,且具体建造者相互独立,增加新的建造者非常方便,无须修改已有代码,系统具有较好的扩展性。

定义

将一个复杂对象的构建与它的表示分离,使得同样的构建过程可以创建不同的表示。建造者模式是一种对象创建型模式。

UML类图
角色
  • Builder(抽象建造者):它为创建一个产品Product对象的各个部件指定抽象接口,在该接口中一般声明两类方法,一类方法是buildPartX(),它们用于创建复杂对象的各个部件;另一类方法是getResult(),它们用于返回复杂对象。Builder既可以是抽象类,也可以是接口。
  • ConcreteBuilder(具体建造者):它实现了Builder接口,实现各个部件的具体构造和装配方法,定义并明确它所创建的复杂对象,也可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象。
  • Product(产品角色):它是被构建的复杂对象,包含多个组成部件,具体建造者创建该产品的内部表示并定义它的装配过程。
  • Director(指挥者):指挥者又称为导演类,它负责安排复杂对象的建造次序,指挥者与抽象建造者之间存在关联关系,可以在其construct()建造方法中调用建造者对象的部件构造与装配方法,完成复杂对象的建造。客户端一般只需要与指挥者进行交互,在客户端确定具体建造者的类型,并实例化具体建造者对象(也可以通过配置文件和反射机制),然后通过指挥者类的构造函数或者Setter方法将该对象传入指挥者类中。
demo代码

在建造者模式的定义中提到了复杂对象,那么什么是复杂对象?简单来说,复杂对象是指那些包含多个成员属性的对象,这些成员属性也称为部件或零件,如汽车包括方向盘、发动机、轮胎等部件,电子邮件包括发件人、收件人、主题、内容、附件等部件,一个典型的复杂对象类代码示例如下:


class Product  {
       private  String partA; //定义部件,部件可以是任意类型,包括值类型和引用类型
       private  String partB;
       private  String partC;
       //partA的Getter方法和Setter方法省略
       //partB的Getter方法和Setter方法省略
       //partC的Getter方法和Setter方法省略
}

在抽象建造者类中定义了产品的创建方法和返回方法,其典型代码如下:

abstract class Builder {
     //创建产品对象
       protected  Product product=new Product();
      
       public  abstract void buildPartA();
       public  abstract void buildPartB();
       public  abstract void buildPartC();
      
     //返回产品对象
       public  Product getResult() {
              return  product;
       }
}

在建造者模式的结构中还引入了一个指挥者类Director,该类主要有两个作用:一方面它隔离了客户与创建过程;另一方面它控制产品的创建过程,包括某个buildPartX()方法是否被调用以及多个buildPartX()方法调用的先后次序等。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。在实际生活中也存在类似指挥者一样的角色,如一个客户去购买电脑,电脑销售人员相当于指挥者,只要客户确定电脑的类型,电脑销售人员可以通知电脑组装人员给客户组装一台电脑。指挥者类的代码示例如下:

class Director {
       private  Builder builder;
      
       public  Director(Builder builder) {
              this.builder=builder;
       }
      
       public  void setBuilder(Builder builder) {
              this.builder=builer;
       }
      
     //产品构建与组装方法
       public Product construct() {
              builder.buildPartA();
              builder.buildPartB();
              builder.buildPartC();
              return builder.getResult();
       }
}

在指挥者类中可以注入一个抽象建造者类型的对象,其核心在于提供了一个建造方法construct(),在该方法中调用了builder对象的构造部件的方法,最后返回一个产品对象。

对于客户端而言,只需关心具体的建造者即可,一般情况下,客户端类代码片段如下所示:

Builder  builder = new ConcreteBuilder(); //可通过配置文件实现
Director director = new  Director(builder);
Product product = director.construct();
建造者模式与抽象工厂模式的比较

建造者模式与抽象工厂模式有点相似,但是建造者模式返回一个完整的复杂产品,而抽象工厂模式返回一系列相关的产品;在抽象工厂模式中,客户端通过选择具体工厂来生成所需对象,而在建造者模式中,客户端通过指定具体建造者类型并指导Director类如何去生成对象,侧重于一步步构造一个复杂对象,然后将结果返回。如果将抽象工厂模式看成一个汽车配件生产厂,生成不同类型的汽车配件,那么建造者模式就是一个汽车组装厂,通过对配件进行组装返回一辆完整的汽车。

生成器 抽象工厂
构建复杂对象 构建简单或复杂对象
以多个步骤构建对象 以单一步骤构建对象
以构建过程的最后一步返回产品 立刻返回产品
专注一个特点产品 强调一套产品
关于Director的进一步讨论

指挥者类Director在建造者模式中扮演非常重要的作用,简单的Director类用于指导具体建造者如何构建产品,它按一定次序调用Builder的buildPartX()方法,控制调用的先后次序,并向客户端返回一个完整的产品对象。下面我们讨论几种Director的高级应用方式:

1.省略Director

在有些情况下,为了简化系统结构,可以将Director和抽象建造者Builder进行合并,在Builder中提供逐步构建复杂产品对象的construct()方法。由于Builder类通常为抽象类,因此可以将construct()方法定义为静态(static)方法。

class Builder {
      //创建产品对象
       protected  Product product=new Product();
      
       public  abstract void buildPartA();
       public  abstract void buildPartB();
       public  abstract void buildPartC();
      
      //返回产品对象
       public  Product getResult() {
              return  product;
       }
       
       // Build中增加construct方法,代替Director中的construct方法
       public static Product construct(Builder builder) {
              builder.buildPartA();
              builder.buildPartB();
              builder.buildPartC();
              return builder.getResult();
       }
}

客户端类代码片段如下所示:

Builder  builder = new ConcreteBuilder(); //可通过配置文件实现
Product product = builder.construct(builder);

除此之外,还有一种更简单的处理方法,可以将construct()方法的参数去掉,直接在construct()方法中调用buildPartX()方法。

2.钩子方法的引入

建造者模式除了逐步构建一个复杂产品对象外,还可以通过Director类来更加精细地控制产品的创建过程,例如增加一类称之为钩子方法(HookMethod)的特殊方法来控制是否对某个buildPartX()的调用。钩子方法的返回类型通常为boolean类型,方法名一般为isXXX(),钩子方法定义在抽象建造者类中。

总结
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。由于指挥者类针对抽象建造者编程,增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码,系统扩展方便,符合“开闭原则”
  • 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。
缺点
  • 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,例如很多组成部分都不相同,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,增加系统的理解难度和运行成本。
适用场景
  • 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。在建造者模式中通过引入了指挥者类,将创建过程封装在指挥者类中,而不在建造者类和客户类中。
  • 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。

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