设计模式之建造者模式
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。
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。
1.模式的结构
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。
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()。
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。
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。
其结构图如下：
2.模式的实现
结构图给出了建造者(Builder)模式的主要结构，其代码如下：
(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
System.out.println("partA"+partA);
System.out.println("partB"+partB);
System.out.println("partC"+partC);
}
}
(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();
//builder.getResult()返回的product对象就相当于复杂对象的创建
return builder.getResult();
}
}
(5) 客户类。
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//多态，创建建造者
Builder builder = new ConcreteBuilder();
//创建指挥者
Director director = new Director(builder);
Product product = director.construct();
//指挥调用建造者方法
product.show();
}
}
输出结果如下：
建造者模式的应用实例
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（点此下载装修效果图的图片）。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（点此下载 XML 文件），调用项目经理进行装修。结构图如下所示：
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;
}
}
}
建造者模式的应用场景
建造者模式唯一区别于工厂模式的是针对复杂对象的创建。也就是说，如果创建简单对象，通常都是使用工厂模式进行创建，而如果创建复杂对象，就可以考虑使用建造者模式。
当需要创建的产品具备复杂创建过程时，可以抽取出共性创建过程，然后交由具体实现类自定义创建流程，使得同样的创建行为可以生产出不同的产品，分离了创建与表示，使创建产品的灵活性大大增加。
建造者模式主要适用于以下应用场景：
相同的方法，不同的执行顺序，产生不同的结果。
多个部件或零件，都可以装配到一个对象中，但是产生的结果又不相同。
产品类非常复杂，或者产品类中不同的调用顺序产生不同的作用。
初始化一个对象特别复杂，参数多，而且很多参数都具有默认值。
建造者模式和工厂模式的区别
通过前面的学习，我们已经了解了建造者模式，那么它和工厂模式有什么区别呢？
建造者模式更加注重方法的调用顺序，工厂模式注重创建对象。
创建对象的力度不同，建造者模式创建复杂的对象，由各种复杂的部件组成，工厂模式创建出来的对象都一样
关注重点不一样，工厂模式只需要把对象创建出来就可以了，而建造者模式不仅要创建出对象，还要知道对象由哪些部件组成。
建造者模式根据建造过程中的顺序不一样，最终对象部件组成也不一样。
建造者模式实现链式赋值
以辅导班为例子，一个辅导班的课程由教程资料、学习笔记和课后作业组成，但是这些内容的设置顺序可以随意调整，我们用建造者模式来代入理解一下。
首先创建一个课程类 Course
public class Course {
private String name; // 课程名称
private String means; // 教程资料
private String note; // 学习笔记
private String homework; // 课后作业
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getMeans() {
return means;
}
public void setMeans(String means) {
this.means = means;
}
public String getNote() {
return note;
}
public void setNote(String note) {
this.note = note;
}
public String getHomework() {
return homework;
}
public void setHomework(String homework) {
this.homework = homework;
}
@Override
public String toString() {
return "CourseBuilder{" + "name='" + name + '\'' + ",means='" + means + '\'' + ",note='" + note + '\'' + ",homework='" + homework + '\'' + '}';
}
}
然后创建建造者类 CourseBuilder，将复杂的过程封装起来，创建步骤由用户决定。
public class CourseBuilder {
private Course course = new Course();
public CourseBuilder addName(String name){
course.setName(name);
return this;
}
public CourseBuilder addMeans(String means){
course.setMeans(means);
return this;
}
public CourseBuilder addNote(String note){
course.setNote(note);
return this;
}
public CourseBuilder addHomework(String homework){
course.setHomework(homework);
return this;
}
public Course build(){
return course;
}
}
链式赋值，创建步骤可以我们自己定
public static void main(String[] args) {
CourseBuilder builder = new CourseBuilder().addName("设计模式").addMeans("教程资料").addNote("课堂笔记").addHomework("课后作业");
System.out.println(builder.build());
}
使用静态内部类实现建造者模式
事实上，在平时编写代码时，我们通常都会忽略对象的复杂性，优先考虑使用工厂模式创建对象，而不是建造者模式。因为工厂模式和建造者模式的作用都是创建一个产品对象，相对于建造者模式来说，工厂模式没有抽象建造者和指挥者，所以结构更加简洁直接，因此更常使用。
一般情况下，我们更习惯使用静态内部类的方式实现建造者模式，即一个产品类内部自动带有一个具体建造者，由它负责该产品的组装创建，不再需要 Builder 和 Director。这样做可以使产品表示与创建之间的联系更加紧密，结构更加紧凑，同时使得建造者模式更加简洁。
public class Course {
private String name;
private String means;
private String note;
private String homework;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public String getMeans() {
return means;
}
public void setMeans(String means) {
this.means = means;
}
public String getNote() {
return note;
}
public void setNote(String note) {
this.note = note;
}
public String getHomework() {
return homework;
}
public void setHomework(String homework) {
this.homework = homework;
}
@Override
public String toString() {
return "CourseBuilder{" + "name='" + name + '\'' + ",means='" + means + '\'' + ",note='" + note + '\'' + ",homework='" + homework + '\'' + '}';
}
public static class Builder {
private Course course = new Course();
public Builder addName(String name) {
course.setName(name);
return this;
}
public Builder addMeans(String means) {
course.setMeans(means);
return this;
}
public Builder addNote(String note) {
course.setNote(note);
return this;
}
public Builder addHomework(String homework) {
course.setHomework(homework);
return this;
}
public Course build() {
return course;
}
}
public static void main(String[] args) {
CourseBuilder builder = new CourseBuilder().addName("设计模式").addMeans("教程资料").addNote("课堂笔记").addHomework("课后作业");
System.out.println(builder.build());
}
建造者模式在框架源码中的应用
JDK 的 StringBuilder 类中提供了 append() 方法，这就是一种链式创建对象的方法，开放构造步骤，最后调用 toString() 方法就可以获得一个完整的对象。StringBuilder 类源码如下：
public final class StringBuilder
extends AbstractStringBuilder
implements java.io.Serializable, CharSequence {
...
public StringBuilder append(Object obj) {
return append(String.valueOf(obj));
}
...
public String toString() {
// Create a copy, don't share the array
return new String(value, 0, count);
}
...
}