建造者模式

建造者模式

模式动机

软件开发中存在一些复杂对象，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。

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

模式定义

建造者模式(Builder Pattern)：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。

Builder Pattern: Separate the construction of a complex object from its representation so that the same construction process can create different representations.

建造者模式属于对象创建型模式。根据中文翻译的不同，建造者模式又可以称为生成器模式

模式结构

模式结构:

• Builder: 抽象建造者角色
• ConcreteBuilder: 具体建造者角色
• Director: 指导者角色
• Product: 产品角色

模式分析

建造者模式的结构中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。

模式示例

class Computer {
  private String cpu;
  private String ram;
  private String storage;
  private String gpu;

  public void setCpu(String cpu) { this.cpu = cpu; }
  public void setRam(String ram) { this.ram = ram; }
  public void setStorage(String storage) { this.storage = storage; }
  public void setGpu(String gpu) { this.gpu = gpu; }

  @Override
  public String toString() {
    return "Computer [CPU=" + cpu +
      ", RAM=" + ram +
      ", Storage=" + storage +
      (gpu != null ? ", GPU=" + gpu : "") + "]";
  }
}

// 2. 建造者接口（定义构建步骤）
interface ComputerBuilder {
  ComputerBuilder setCPU(String cpu);
  ComputerBuilder setRAM(String ram);
  ComputerBuilder setStorage(String storage);
  ComputerBuilder setGPU(String gpu); // 可选步骤
  Computer build();
}
// 新增 Director 类（指挥者）
class ComputerDirector {
    private ComputerBuilder builder;

    public ComputerDirector(ComputerBuilder builder) {
        this.builder = builder;
    }

    // 封装「游戏电脑」的构建算法
    public Computer buildGamingComputer() {
        return builder.setCPU("Intel i9")
                     .setRAM("32GB DDR5")
                     .setStorage("1TB NVMe SSD")
                     .setGPU("RTX 4090")
                     .build();
    }

    // 封装「办公电脑」的构建算法
    public Computer buildOfficeComputer() {
        return builder.setCPU("Ryzen 5")
                     .setRAM("16GB DDR4")
                     .setStorage("512GB SSD")
                     .build();
    }
}

// 客户端使用（通过 Director 构建）
public class BuilderPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ComputerBuilder builder = new StandardComputerBuilder();
        ComputerDirector director = new ComputerDirector(builder);

        Computer gamingPC = director.buildGamingComputer();
        Computer officePC = director.buildOfficeComputer();

        System.out.println("Gaming PC: " + gamingPC);
        System.out.println("Office PC: " + officePC);
    }
}

模式优缺点

• 优点
  • 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”。
• 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，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

模式适用环境

• 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

建造模式与抽象工厂模式比较

• 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