设计模式-创建型模式-建造者模式

建造者模式（Bulider模式）

在软件开发过程中有时需要创建一个复杂的对象，这个复杂对象通常由多个子部件按一定的步骤组合而成。例如，计算机是由 CPU、主板、内存、硬盘、显卡、机箱、显示器、键盘、鼠标等部件组装而成的，采购员不可能自己去组装计算机，而是将计算机的配置要求告诉计算机销售公司，计算机销售公司安排技术人员去组装计算机，然后再交给要买计算机的采购员。

生活中这样的例子很多，如游戏中的不同角色，其性别、个性、能力、脸型、体型、服装、发型等特性都有所差异；还有汽车中的方向盘、发动机、车架、轮胎等部件也多种多样；每封电子邮件的发件人、收件人、主题、内容、附件等内容也各不相同。

以上所有这些产品都是由多个部件构成的，各个部件可以灵活选择，但其创建步骤都大同小异。这类产品的创建无法用前面介绍的工厂模式描述，只有建造者模式可以很好地描述该类产品的创建。

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建造者模式的定义与特点

建造者（Builder）模式的定义：指将一个复杂对象的构造与它的表示分离，使同样的构建过程可以创建不同的表示，这样的设计模式被称为建造者模式。它是将一个复杂的对象分解为多个简单的对象，然后一步一步构建而成。它将变与不变相分离，即产品的组成部分是不变的，但每一部分是可以灵活选择的。

该模式的主要优点如下：

• 封装性好，构建和表示分离。
• 扩展性好，各个具体的建造者相互独立，有利于系统的解耦。
• 客户端不必知道产品内部组成的细节，建造者可以对创建过程逐步细化，而不对其它模块产生任何影响，便于控制细节风险。

其缺点如下：

• 产品的组成部分必须相同，这限制了其使用范围。
• 如果产品的内部变化复杂，如果产品内部发生变化，则建造者也要同步修改，后期维护成本较大。

建造者（Builder）模式和工厂模式的关注点不同：建造者模式注重零部件的组装过程，而工厂方法模式更注重零部件的创建过程，但两者可以结合使用。

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建造者模式的结构与实现

建造者（Builder）模式由产品、抽象建造者、具体建造者、指挥者等 4 个要素构成，现在我们来分析其基本结构和实现方法。

建造者模式的结构

建造者（Builder）模式的主要角色如下：

1. 产品角色（Product）：它是包含多个组成部件的复杂对象，由具体建造者来创建其各个零部件。
2. 抽象建造者（Builder）：它是一个包含创建产品各个子部件的抽象方法的接口，通常还包含一个返回复杂产品的方法 getResult()。
3. 具体建造者(Concrete Builder）：实现 Builder 接口，完成复杂产品的各个部件的具体创建方法。
4. 指挥者（Director）：它调用建造者对象中的部件构造与装配方法完成复杂对象的创建，在指挥者中不涉及具体产品的信息。

建造者模式的实现

上图给出了建造者（Builder）模式的主要结构，其相关类的代码如下：

(1) 产品角色：包含多个组成部件的复杂对象。

class Product {
    private String partA;
    private String partB;
    private String partC;
    public void setPartA(String partA) {
        this.partA = partA;
    }
    public void setPartB(String partB) {
        this.partB = partB;
    }
    public void setPartC(String partC) {
        this.partC = partC;
    }
    public void show() {
        // 显示产品的特性
    }
}

(2) 抽象建造者：包含创建产品各个子部件的抽象方法。

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;
    }
}

(3) 具体建造者：实现了抽象建造者接口。

public class ConcreteBuilder extends Builder {
    public void buildPartA() {
        product.setPartA("建造 PartA");
    }
    public void buildPartB() {
        product.setPartB("建造 PartB");
    }
    public void buildPartC() {
        product.setPartC("建造 PartC");
    }
}

(4) 指挥者：调用建造者中的方法完成复杂对象的创建。

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

(5) 客户类。

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Builder builder = new ConcreteBuilder();
        Director director = new Director(builder);
        Product product = director.construct();
        product.show();
    }
}

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建造者模式的应用实例

【例1：隐藏内部参数】用建造者（Builder）模式描述客厅装修

分析：客厅装修是一个复杂的过程，它包含墙体的装修、电视机的选择、沙发的购买与布局等。客户把装修要求告诉项目经理，项目经理指挥装修工人一步步装修，最后完成整个客厅的装修与布局，所以本实例用建造者模式实现比较适合。

这里客厅是产品，包括墙、电视和沙发等组成部分。具体装修工人是具体建造者，他们负责装修与墙、电视和沙发的布局。项目经理是指挥者，他负责指挥装修工人进行装修。

另外，客厅类中提供了 show() 方法，可以将装修效果图显示出来。客户端程序通过对象生成器类 ReadXML 读取 XML 配置文件中的装修方案数据，调用项目经理进行装修。

程序代码如下：

package Builder;
import java.awt.*;
import javax.swing.*;
public class ParlourDecorator {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Decorator d;
            d = (Decorator) ReadXML.getObject();
            ProjectManager m = new ProjectManager(d);
            Parlour p = m.decorate();
            p.show();
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}
// 产品：客厅
class Parlour {
    private String wall;    //墙
    private String TV;    //电视
    private String sofa;    //沙发 
    public void setWall(String wall) {
        this.wall = wall;
    }
    public void setTV(String TV) {
        this.TV = TV;
    }
    public void setSofa(String sofa) {
        this.sofa = sofa;
    }
    public void show() {
        JFrame jf = new JFrame("建造者模式测试");
        Container contentPane = jf.getContentPane();
        JPanel p = new JPanel();
        JScrollPane sp = new JScrollPane(p);
        String parlour = wall + TV + sofa;
        JLabel l = new JLabel(new ImageIcon("src/" + parlour + ".jpg"));
        p.setLayout(new GridLayout(1, 1));
        p.setBorder(BorderFactory.createTitledBorder("客厅"));
        p.add(l);
        contentPane.add(sp, BorderLayout.CENTER);
        jf.pack();
        jf.setVisible(true);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
    }
}
// 抽象建造者：装修工人
abstract class Decorator {
    //创建产品对象
    protected Parlour product = new Parlour();
    public abstract void buildWall();
    public abstract void buildTV();
    public abstract void buildSofa();
    //返回产品对象
    public Parlour getResult() {
        return product;
    }
}
// 具体建造者：具体装修工人1
class ConcreteDecorator1 extends Decorator {
    public void buildWall() {
        product.setWall("w1");
    }
    public void buildTV() {
        product.setTV("TV1");
    }
    public void buildSofa() {
        product.setSofa("sf1");
    }
}
// 具体建造者：具体装修工人2
class ConcreteDecorator2 extends Decorator {
    public void buildWall() {
        product.setWall("w2");
    }
    public void buildTV() {
        product.setTV("TV2");
    }
    public void buildSofa() {
        product.setSofa("sf2");
    }
}
// 指挥者：项目经理
class ProjectManager {
    private Decorator builder;
    public ProjectManager(Decorator builder) {
        this.builder = builder;
    }
    //产品构建与组装方法
    public Parlour decorate() {
        builder.buildWall();
        builder.buildTV();
        builder.buildSofa();
        return builder.getResult();
    }
}

package Builder;
import org.w3c.dom.Document;
import org.w3c.dom.Node;
import org.w3c.dom.NodeList;
import javax.xml.parsers.DocumentBuilder;
import javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory;
import java.io.File;
class ReadXML {
    public static Object getObject() {
        try {
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;
            doc = builder.parse(new File("src/Builder/config.xml"));
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode = nl.item(0).getFirstChild();
            String cName = "Builder." + classNode.getNodeValue();
            System.out.println("新类名：" + cName);
            Class<?> c = Class.forName(cName);
            Object obj = c.newInstance();
            return obj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

程序运行结果如图所示:

这种builder是隐藏的，内部的参数不受我们控制。

【例2：自定义内部参数】用建造者（Builder）模式组装电脑

当一个类的构造函数参数个数超过4个，而且这些参数有些是可选的参数，考虑使用构造者模式。

public class Computer {
    private String cpu;//必须
    private String ram;//必须
    private int usbCount;//可选
    private String keyboard;//可选
    private String display;//可选
}

第一：折叠构造函数模式（telescoping constructor pattern），这个我们经常用，如下代码所示：

public class Computer {
    // ...
    public Computer(String cpu, String ram) {
        this(cpu, ram, 0);
    }
    public Computer(String cpu, String ram, int usbCount) {
        this(cpu, ram, usbCount, "罗技键盘");
    }
    public Computer(String cpu, String ram, int usbCount, String keyboard) {
        this(cpu, ram, usbCount, keyboard, "三星显示器");
    }
    public Computer(String cpu, String ram, int usbCount, String keyboard, String display) {
        this.cpu = cpu;
        this.ram = ram;
        this.usbCount = usbCount;
        this.keyboard = keyboard;
        this.display = display;
    }
}

第二种：Javabean 模式，如下所示：

public class Computer {
    // ...
    public String getCpu() {
        return cpu;
    }
    public void setCpu(String cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }
    public String getRam() {
        return ram;
    }
    public void setRam(String ram) {
        this.ram = ram;
    }
    public int getUsbCount() {
        return usbCount;
    }
    // ...
}

这两种方式的弊端如下：

第一种主要是使用及阅读不方便。你可以想象一下，当你要调用一个类的构造函数时，你首先要决定使用哪一个，然后里面又是一堆参数，如果这些参数的类型很多又都一样，你还要搞清楚这些参数的含义，很容易就传混了。

第二种方式在构建过程中对象的状态容易发生变化，造成错误。因为那个类中的属性是分步设置的，所以就容易出错。

为了解决这两个痛点，可以使用builder模式。

1. 在Computer 中创建一个静态内部类 Builder，然后将Computer 中的参数都复制到Builder类中。
2. 在Computer中创建一个private的构造函数，参数为Builder类型
3. 在Builder中创建一个public的构造函数，参数为Computer中必填的那些参数，cpu 和ram。
4. 在Builder中创建设置函数，对Computer中那些可选参数进行赋值，返回值为Builder类型的实例
5. 在Builder中创建一个build()方法，在其中构建Computer的实例并返回

public class Computer {
    private final String cpu;//必须
    private final String ram;//必须
    private final int usbCount;//可选
    private final String keyboard;//可选
    private final String display;//可选

    private Computer(Builder builder){
        this.cpu = builder.cpu;
        this.ram = builder.ram;
        this.usbCount = builder.usbCount;
        this.keyboard = builder.keyboard;
        this.display = builder.display;
    }
    public static class Builder{
        private String cpu;//必须
        private String ram;//必须
        private int usbCount;//可选
        private String keyboard;//可选
        private String display;//可选

        public Builder(String cup, String ram){
            this.cpu = cup;
            this.ram = ram;
        }

        public Builder setUsbCount(int usbCount) {
            this.usbCount = usbCount;
            return this;
        }
        public Builder setKeyboard(String keyboard) {
            this.keyboard = keyboard;
            return this;
        }
        public Builder setDisplay(String display) {
            this.display = display;
            return this;
        }        
        public Computer build(){
            return new Computer(this);
        }
    }
    // 省略getter方法
}

使用的时候，在客户端使用链式调用，一步一步的把对象构建出来。

Computer computer=new Computer.Builder("因特尔","三星")
                .setDisplay("三星24寸")
                .setKeyboard("罗技")
                .setUsbCount(2)
                .build();

建造者模式是一个非常实用而常见的创建类型的模式（creational design pattern)，在Android中例如图片处理框架Glide，网络请求框架Retrofit等都使用了此模式。

在上面这个常用的建造者模式变体中，4个角色表示如下：

• Product: 最终要生成的对象，例如 Computer实例。
• Builder： 构建者的抽象基类（有时会使用接口代替）。其定义了构建Product的抽象步骤，其实体类需要实现这些步骤。其会包含一个用来返回最终产品的方法Product getProduct()。
• ConcreteBuilder: Builder的实现类。
• Director: 决定如何构建最终产品的算法. 其会包含一个负责组装的方法void Construct(Builder builder)， 在这个方法中通过调用builder的方法，就可以设置builder，等设置完成后，就可以通过builder的 getProduct() 方法获得最终的产品。

当然了，我们也可以用例1那种传统方式来实现：

第一步：我们的目标Computer类：

public class Computer {
    private String cpu;//必须
    private String ram;//必须
    private int usbCount;//可选
    private String keyboard;//可选
    private String display;//可选

    public Computer(String cpu, String ram) {
        this.cpu = cpu;
        this.ram = ram;
    }
    public void setUsbCount(int usbCount) {
        this.usbCount = usbCount;
    }
    public void setKeyboard(String keyboard) {
        this.keyboard = keyboard;
    }
    public void setDisplay(String display) {
        this.display = display;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Computer{" +
                "cpu='" + cpu + '\'' +
                ", ram='" + ram + '\'' +
                ", usbCount=" + usbCount +
                ", keyboard='" + keyboard + '\'' +
                ", display='" + display + '\'' +
                '}';
    }
}

第二步：抽象构建者类

public abstract class ComputerBuilder {
    public abstract void setUsbCount();
    public abstract void setKeyboard();
    public abstract void setDisplay();
    public abstract Computer getComputer();
}

第三步：实体构建者类，我们可以根据要构建的产品种类产生多了实体构建者类，这里我们需要构建两种品牌的电脑，苹果电脑和联想电脑，所以我们生成了两个实体构建者类。

public class MacComputerBuilder extends ComputerBuilder {
    private Computer computer;
    public MacComputerBuilder(String cpu, String ram) {
        computer = new Computer(cpu, ram);
    }
    @Override
    public void setUsbCount() {
        computer.setUsbCount(2);
    }
    @Override
    public void setKeyboard() {
        computer.setKeyboard("苹果键盘");
    }
    @Override
    public void setDisplay() {
        computer.setDisplay("苹果显示器");
    }
    @Override
    public Computer getComputer() {
        return computer;
    }
}

public class LenovoComputerBuilder extends ComputerBuilder {
    private Computer computer;
    public LenovoComputerBuilder(String cpu, String ram) {
        computer=new Computer(cpu,ram);
    }
    @Override
    public void setUsbCount() {
        computer.setUsbCount(4);
    }
    @Override
    public void setKeyboard() {
        computer.setKeyboard("联想键盘");
    }
    @Override
    public void setDisplay() {
        computer.setDisplay("联想显示器");
    }
    @Override
    public Computer getComputer() {
        return computer;
    }
}

第四步：指导者类（Director）

public class ComputerDirector {
    public void makeComputer(ComputerBuilder builder){
        builder.setUsbCount();
        builder.setDisplay();
        builder.setKeyboard();
    }
}

使用的时候，首先生成一个director (1)，然后生成一个目标builder (2)，接着使用director组装builder (3),组装完毕后使用builder创建产品实例 (4)。

public static void main(String[] args) {
    ComputerDirector director=new ComputerDirector();//1
    ComputerBuilder builder=new MacComputerBuilder("I5处理器","三星125");//2
    director.makeComputer(builder);//3
    Computer macComputer=builder.getComputer();//4
    System.out.println("mac computer:"+macComputer.toString());

    ComputerBuilder lenovoBuilder=new LenovoComputerBuilder("I7处理器","海力士222");
    director.makeComputer(lenovoBuilder);
    Computer lenovoComputer=lenovoBuilder.getComputer();
    System.out.println("lenovo computer:"+lenovoComputer.toString());
}

可以看到，例2最开始的使用方式是传统builder模式的变种， 首先其省略了director 这个角色，将构建算法交给了client端，其次将 builder 写到了要构建的产品类里面，最后采用了链式调用。

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参考资料

http://c.biancheng.net/view/1354.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/58093669