【設計模式】創建型-建造者模式

前言

在面向對象的軟件開發中，構建復雜對象時經常會遇到許多挑戰。一種常見的解決方案是使用設計模式，其中建造者模式是一個強大而靈活的選擇。本文將深入探討建造者模式的原理、結構、優點以及如何在實際項目中應用它。

一、復雜的對象

public class Computer {private String ram;private String hardDisk;private String cpu;// ...可能還有更多參數...public Computer(String ram, String hardDisk, String cpu) {this.ram = ram;this.hardDisk = hardDisk;this.cpu = cpu;// ...初始化更多參數...}// getters and setters...
}// 使用構造函數創建對象，參數多且容易混淆
Computer computer = new Computer("16GB", "1TB", "Intel i7");

上面代碼比較簡單，但是如果 Computer 類有更多的參數，構造函數將會變得非常長，而且在創建 Computer 對象時，傳遞參數的順序非常重要，一旦順序錯誤，就會創建出一個配置錯誤的對象。此外，如果參數有默認值，那么用戶還需要記住哪些參數是必須的，哪些是可選的，這增加了使用的復雜性。

我們可以總結出創建復雜對象時可能會遇到的問題包括：

參數過多：構造函數或者 setter 方法的參數可能會非常多，導致代碼難以閱讀和維護。
參數順序：容易混淆參數的順序，特別是當有多個相同類型的參數時。
不夠靈活：如果創建過程中需要多個步驟，使用構造函數或 setter 方法就不夠靈活。
不可讀性：代碼的可讀性差，特別是在沒有注釋的情況下，很難理解每個參數的意義。

二、建造者模式

建造者模式是一種創建型設計模式，旨在將復雜對象的構建過程與其表示分離。通過使用建造者模式，可以使客戶端代碼與對象的內部結構解耦，從而使構建過程更加靈活，并且更易于維護和擴展。

三、建造者模式的核心組成部分

在這里插入圖片描述

建造者模式通常包括以下幾個關鍵組件：

產品（Product）：表示被構建的復雜對象。產品類通常包含多個屬性，并且可能包含一些復雜的業務邏輯。
抽象建造者（Builder）：定義了構建產品所需的接口。抽象建造者通常包括一系列方法來構建產品的各個部分。
具體建造者（Concrete Builder）：實現了抽象建造者接口，負責實際構建產品的各個部分，并提供方法來獲取最終的產品實例。
指揮者（Director）：負責調用建造者的方法來構建產品，但不直接創建產品的實例。指揮者通常根據一定的構建步驟來組織構建過程。

四、運用建造者模式

場景假設：我們要構建一臺計算機，它有不同的部件，比如 CPU、內存、硬盤等。我們將使用建造者模式來構建這臺計算機。

定義產品類：首先，確定需要構建的復雜對象的屬性和方法，并創建相應的產品類。這個產品類應該包含對象的所有屬性，并提供相應的 getter 和 setter 方法。

/*** 產品類：計算機*/
public class Computer {private String cpu;       // CPUprivate String memory;    // 內存private String hardDisk;  // 硬盤// 省略構造函數和 getter/setter方法
}

創建抽象建造者接口：定義一個抽象建造者接口，該接口包含構建產品各個部件的抽象方法。這些方法代表構建產品所需的不同步驟。

/*** 抽象建造者接口*/
public interface ComputerBuilder {// 構建CPUvoid buildCPU();// 構建內存void buildMemory();// 構建硬盤void buildHardDisk();// 構建計算機Computer build();
}

實現具體建造者類：創建一個或多個具體建造者類，實現抽象建造者接口。每個具體建造者類負責實現構建產品各個部件的具體方法，并在最后返回構建好的產品。

/*** 具體建造者類：桌面計算機建造者*/
public class DesktopComputerBuilder implements ComputerBuilder {private Computer computer;  // 待構建的計算機對象public DesktopComputerBuilder() {this.computer = new Computer();}@Overridepublic void buildCPU() {computer.setCpu("Intel Core i7");}@Overridepublic void buildMemory() {computer.setMemory("16GB DDR4");}@Overridepublic void buildHardDisk() {computer.setHardDisk("1TB SSD");}@Overridepublic Computer build() {// 返回構建好的計算機對象return computer;}
}

創建指揮者類：定義一個指揮者類，該類負責使用具體建造者對象構建最終的產品。指揮者類知道構建者的具體實現細節，但與產品的實際構建過程無關。

/*** 指揮者類：計算機指揮者*/
public class ComputerDirector {private ComputerBuilder computerBuilder;  // 建造者對象public ComputerDirector(ComputerBuilder computerBuilder) {this.computerBuilder = computerBuilder;}// 使用建造者構建計算機對象public Computer construct() {// 按照順序調用建造者的方法來構建計算機computerBuilder.buildCPU();computerBuilder.buildMemory();computerBuilder.buildHardDisk();// 返回構建好的計算機對象return computerBuilder.build();}
}

使用建造者模式構建對象：在客戶端代碼中，創建具體的建造者對象，并將其傳遞給指揮者類。然后，通過指揮者類調用相應的方法來構建產品。最終，客戶端代碼可以獲取構建好的產品并使用它。

public class Main {public static void main(String[] args) {// 創建桌面計算機的建造者對象ComputerBuilder desktopBuilder = new DesktopComputerBuilder();// 創建計算機指揮者對象，并傳入桌面計算機的建造者ComputerDirector director = new ComputerDirector(desktopBuilder);// 使用指揮者構建計算機對象Computer desktop = director.construct();// 輸出構建好的桌面計算機的配置信息System.out.println("Desktop Computer Configuration:");System.out.println(desktop);}
}/*在一些簡單的情況下，可以省略指揮者（Director）類。特別是當只有一個具體建造者（Concrete Builder）時，客戶端代碼可以直接調用具體建造者的方法來構建產品，而不需要指揮者類。
*/
public class Main {public static void main(String[] args) {// 創建桌面計算機的建造者對象ComputerBuilder desktopBuilder = new DesktopComputerBuilder();// 使用桌面計算機的建造者直接構建計算機對象Computer desktop = desktopBuilder.buildCPU().buildMemory().buildHardDisk().build();// 輸出構建好的桌面計算機的配置信息System.out.println("Desktop Computer Configuration:");System.out.println(desktop);}
}

在上面的例子中，我們定義了 Computer 類作為產品，ComputerBuilder 作為具體建造者來創建產品，ComputerDirector 作為指導者確定創建產品時遵循的步驟流程。客戶端代碼只需通過 ComputerDirector 便能構建 Computer 對象，這樣就隱藏了構建細節，使得客戶端代碼更加簡潔和易于維護。

五、建造者模式的應用場景

建造者模式適用于以下幾種場景：

復雜對象的創建：當創建的對象非常復雜，包含多個組成部分時，建造者模式可以幫助管理復雜性，使得代碼更加清晰。

// 假設我們需要創建一個復雜的 Pizza 對象，它包含多種配料和選項。
// 產品類
public class Pizza {private String dough;private String sauce;private String topping;// 私有構造器private Pizza(Builder builder) {this.dough = builder.dough;this.sauce = builder.sauce;this.topping = builder.topping;}// Builder類public static class Builder {private String dough;private String sauce;private String topping;public Builder withDough(String dough) {this.dough = dough;return this;}public Builder withSauce(String sauce) {this.sauce = sauce;return this;}public Builder withTopping(String topping) {this.topping = topping;return this;}public Pizza build() {return new Pizza(this);}}
}// 客戶端代碼
// 在創建 Pizza 時，可以根據需要選擇是否設置 dough、sauce、topping
Pizza pizza = new Pizza.Builder().withDough("cross").withSauce("mild").withTopping("ham and pineapple").build();

構造過程需要分步驟進行：如果一個對象的構造過程需要分多個步驟或者階段來完成，建造者模式允許你逐步構造對象，而不是一次性通過一個巨大的構造函數完成。

// 倘若 House 對象的構建，需要分步驟設置地基、結構、屋頂和內部裝修。
// 產品類
public class House {private String foundation;private String structure;private String roof;private String interior;private House(Builder builder) {this.foundation = builder.foundation;this.structure = builder.structure;this.roof = builder.roof;this.interior = builder.interior;}// Builder類public static class Builder {private String foundation;private String structure;private String roof;private String interior;public Builder withFoundation(String foundation) {this.foundation = foundation;return this;}public Builder withStructure(String structure) {this.structure = structure;return this;}public Builder withRoof(String roof) {this.roof = roof;return this;}public Builder withInterior(String interior) {this.interior = interior;return this;}public House build() {return new House(this);}}
}// 客戶端代碼
// 在創建對象之前，可嚴格管控步驟的先后順序
House house = new House.Builder().withFoundation("concrete").withStructure("wooden").withRoof("shingle").withInterior("painted").build();

同一構建過程不同表示：當需要根據不同的需求和過程來創建不同的對象表示時，建造者模式提供了很好的解決方案。

// 如果我們有一個 Car 對象，它可以有不同的配置，例如經濟型和豪華型。
// 產品類
public class Car {private String engine;private String seats;private String navigationSystem;private Car(Builder builder) {this.engine = builder.engine;this.seats = builder.seats;this.navigationSystem = builder.navigationSystem;}// Builder類public static class Builder {private String engine;private String seats;private String navigationSystem;public Builder withEngine(String engine) {this.engine = engine;return this;}public Builder withSeats(String seats) {this.seats = seats;return this;}public Builder withNavigationSystem(String navigationSystem) {this.navigationSystem = navigationSystem;return this;}public Car build() {return new Car(this);}}
}// 客戶端代碼
// 根據不同配置，滿足不同需求
Car economyCar = new Car.Builder().withEngine("1.5L").withSeats("cloth").build();Car luxuryCar = new Car.Builder().withEngine("3.0L V6").withSeats("leather").withNavigationSystem("advanced").build();

參數多且復雜：當構造函數的參數非常多，且有些可能是可選的，建造者模式可以幫助組織這些參數，使得構造函數不會過于龐大和復雜。

// 倘若 Order 對象可能包含多個可選的配置項，如禮品包裝、快遞服務、優惠券等，
// 使用建造者模式可以讓客戶端代碼清晰地指定所需的配置。
// 產品類：具有多個配置參數，其中一些是可選的。
public class Order {private String product;private boolean giftWrap;private boolean expressDelivery;private String couponCode;// 私有構造器，只能通過Builder類構建Order對象private Order(Builder builder) {this.product = builder.product;this.giftWrap = builder.giftWrap;this.expressDelivery = builder.expressDelivery;this.couponCode = builder.couponCode;}// Builder 類：提供了一個鏈式 API 來設置 Order 對象的屬性public static class Builder {private String product;private boolean giftWrap;private boolean expressDelivery;private String couponCode;public Builder(String product) {this.product = product;}public Builder setGiftWrap(boolean giftWrap) {this.giftWrap = giftWrap;return this;}public Builder setExpressDelivery(boolean expressDelivery) {this.expressDelivery = expressDelivery;return this;}public Builder setCouponCode(String couponCode) {this.couponCode = couponCode;return this;}// 構建方法：創建一個Order對象并返回public Order build() {return new Order(this);}}
}// 客戶端使用：創建一個 Order 對象
Order order = new Order.Builder("Product1").setGiftWrap(true).setExpressDelivery(true).setCouponCode("DISCOUNT10").build();

六、小結

建造者模式是一種創建復雜對象的有效方式，它允許我們按照步驟構建對象，從而使得構建過程更加靈活和可配置。例如，在 Java 中，StringBuilder 是建造者模式的一個典型應用，它允許我們通過多個方法調用來構建最終的字符串，而不是一次性傳入所有的字符串內容。另一個例子是流式 API，如 Java 8 的 Stream API，它允許通過鏈式調用來構建復雜的查詢。通過將構建過程與表示分離，建造者模式提高了代碼的可讀性和可維護性，同時也使得代碼更加易于擴展和重用。