建造者模式：優雅構建復雜對象

引言

在軟件開發中，有時我們需要創建一個由多個部分組成的復雜對象，這些部分可能有不同的變體或配置。如果直接在一個構造函數中設置所有參數，代碼會變得難以閱讀和維護。當對象構建過程復雜，且需要多個步驟時，我們可能會陷入"伸縮式構造函數"的困境，或者創建大量的子類來處理各種組合。

建造者模式（Builder Pattern）提供了一種更優雅的解決方案，它將一個復雜對象的構建過程與其表示分離，使得同樣的構建過程可以創建不同的表示。這種模式特別適用于需要分步驟創建復雜對象的場景，或者當對象的創建涉及大量參數時。

本文將深入探討建造者模式的概念、實現方式、應用場景以及優缺點，并通過C#代碼示例來展示其實際應用。

文章目錄

- 引言
- 建造者模式定義
- 建造者模式的UML類圖
- 建造者模式的組成部分
- 建造者模式的實現方式
- - 基本實現
  - 使用鏈式調用的流暢接口
  - 使用指揮者角色
- 建造者模式的應用場景
- - 復雜對象的創建
  - 參數眾多的構造函數
  - 不同表示的構建過程
- 建造者模式的優缺點
- - 優點
  - 缺點
- 總結
- 相關學習資源

建造者模式定義

建造者模式（Builder Pattern）的定義是：將一個復雜對象的構建與它的表示分離，使得同樣的構建過程可以創建不同的表示。

建造者模式屬于創建型設計模式，它解決的核心問題包括：

如何構建一個由多個部分組成的復雜對象
如何避免"伸縮式構造函數"的問題
如何允許對象有不同的表示形式
如何分離對象的構建和表示

建造者模式的UML類圖

以下是建造者模式的UML類圖：

建造者模式的組成部分

建造者模式包含以下幾個核心組件：

產品（Product）：
- 被構建的復雜對象
- 包含多個組成部分
- 具體建造者創建該產品的內部表示并定義裝配過程
抽象建造者（Builder）：
- 聲明創建產品各個部分的抽象接口
- 定義構建產品各個部分的方法
- 聲明返回產品的方法
具體建造者（Concrete Builder）：
- 實現抽象建造者的接口
- 定義并跟蹤它所創建的產品
- 提供檢索產品的方法
- 實現構建產品各個部分的細節
指揮者（Director）：
- 構造一個使用Builder接口的對象
- 指導構建過程的順序
- 隱藏產品是如何組裝的細節

客戶端代碼通常會創建一個具體建造者對象，將其傳遞給指揮者，然后通過指揮者開始構建過程。當構建過程完成后，客戶端從建造者中獲取產品。

建造者模式的實現方式

下面通過C#代碼示例展示建造者模式的幾種實現方式。

基本實現

首先，讓我們看一個食品訂單系統的例子，實現不同類型的餐點組合：

/// <summary>
/// 產品類 - 表示餐點
/// </summary>
public class Meal
{// 餐點的各個組成部分public string MainCourse { get; set; }public string SideDish { get; set; }public string Drink { get; set; }public string Dessert { get; set; }/// <summary>/// 顯示餐點的完整信息/// </summary>public void ShowMeal(){Console.WriteLine("餐點信息:");Console.WriteLine($"- 主菜: {MainCourse ?? "無"}");Console.WriteLine($"- 配菜: {SideDish ?? "無"}");Console.WriteLine($"- 飲料: {Drink ?? "無"}");Console.WriteLine($"- 甜點: {Dessert ?? "無"}");}
}/// <summary>
/// 抽象建造者 - 定義創建餐點各部分的方法
/// </summary>
public interface IMealBuilder
{void BuildMainCourse();void BuildSideDish();void BuildDrink();void BuildDessert();Meal GetMeal();
}/// <summary>
/// 具體建造者 - 健康餐點建造者
/// </summary>
public class HealthyMealBuilder : IMealBuilder
{private Meal _meal = new Meal();public void BuildMainCourse(){_meal.MainCourse = "烤雞胸肉";}public void BuildSideDish(){_meal.SideDish = "蒸蔬菜";}public void BuildDrink(){_meal.Drink = "礦泉水";}public void BuildDessert(){_meal.Dessert = "水果沙拉";}public Meal GetMeal(){return _meal;}
}/// <summary>
/// 具體建造者 - 快餐建造者
/// </summary>
public class FastFoodMealBuilder : IMealBuilder
{private Meal _meal = new Meal();public void BuildMainCourse(){_meal.MainCourse = "漢堡";}public void BuildSideDish(){_meal.SideDish = "炸薯條";}public void BuildDrink(){_meal.Drink = "可樂";}public void BuildDessert(){_meal.Dessert = "冰淇淋";}public Meal GetMeal(){return _meal;}
}/// <summary>
/// 指揮者 - 負責構建過程
/// </summary>
public class MealDirector
{/// <summary>/// 構建完整餐點/// </summary>/// <param name="builder">餐點建造者</param>/// <returns>構建好的餐點</returns>public Meal ConstructFullMeal(IMealBuilder builder){builder.BuildMainCourse();builder.BuildSideDish();builder.BuildDrink();builder.BuildDessert();return builder.GetMeal();}/// <summary>/// 構建沒有甜點的餐點/// </summary>/// <param name="builder">餐點建造者</param>/// <returns>構建好的餐點</returns>public Meal ConstructMealWithoutDessert(IMealBuilder builder){builder.BuildMainCourse();builder.BuildSideDish();builder.BuildDrink();return builder.GetMeal();}
}/// <summary>
/// 客戶端代碼
/// </summary>
public class Client
{public static void Run(){// 創建指揮者var director = new MealDirector();// 使用健康餐點建造者var healthyBuilder = new HealthyMealBuilder();var healthyMeal = director.ConstructFullMeal(healthyBuilder);Console.WriteLine("健康餐點:");healthyMeal.ShowMeal();// 使用快餐建造者，不含甜點var fastFoodBuilder = new FastFoodMealBuilder();var fastFoodMeal = director.ConstructMealWithoutDessert(fastFoodBuilder);Console.WriteLine("\n快餐餐點(無甜點):");fastFoodMeal.ShowMeal();}
}// 執行客戶端代碼
Client.Run();/* 輸出結果：
健康餐點:
餐點信息:
- 主菜: 烤雞胸肉
- 配菜: 蒸蔬菜
- 飲料: 礦泉水
- 甜點: 水果沙拉快餐餐點(無甜點):
餐點信息:
- 主菜: 漢堡
- 配菜: 炸薯條
- 飲料: 可樂
- 甜點: 無
*/

在這個基本實現中：

Meal 是被構建的產品
IMealBuilder 是抽象建造者，定義了構建餐點各部分的方法
HealthyMealBuilder 和 FastFoodMealBuilder 是具體建造者，實現了不同風格的餐點創建
MealDirector 是指揮者，控制構建過程的順序
客戶端可以選擇不同的建造者來創建不同類型的餐點，以及選擇不同的構建方式（完整或無甜點）

使用鏈式調用的流暢接口

建造者模式的一個常見變體是使用方法鏈（鏈式調用）創建流暢接口，這在C#中特別常見：

/// <summary>
/// 產品類 - 電子郵件
/// </summary>
public class Email
{// 電子郵件的各個組成部分public string From { get; set; }public string To { get; set; }public string Subject { get; set; }public string Body { get; set; }public List<string> Attachments { get; set; } = new List<string>();public bool IsHtml { get; set; }public string Cc { get; set; }public string Bcc { get; set; }/// <summary>/// 顯示電子郵件的內容/// </summary>public void Display(){Console.WriteLine("電子郵件詳情:");Console.WriteLine($"發件人: {From}");Console.WriteLine($"收件人: {To}");if (!string.IsNullOrEmpty(Cc)) Console.WriteLine($"抄送: {Cc}");if (!string.IsNullOrEmpty(Bcc)) Console.WriteLine($"密送: {Bcc}");Console.WriteLine($"主題: {Subject}");Console.WriteLine($"正文: {Body}");Console.WriteLine($"格式: {(IsHtml ? "HTML" : "純文本")}");if (Attachments.Count > 0){Console.WriteLine("附件:");foreach (var attachment in Attachments){Console.WriteLine($"- {attachment}");}}}
}/// <summary>
/// 流暢接口建造者 - 電子郵件建造者
/// </summary>
public class EmailBuilder
{private readonly Email _email = new Email();/// <summary>/// 設置發件人地址/// </summary>/// <param name="from">發件人郵箱地址</param>/// <returns>當前建造者實例以支持鏈式調用</returns>public EmailBuilder From(string from){_email.From = from;return this;}/// <summary>/// 設置收件人地址/// </summary>/// <param name="to">收件人郵箱地址</param>/// <returns>當前建造者實例以支持鏈式調用</returns>public EmailBuilder To(string to){_email.To = to;return this;}/// <summary>/// 設置郵件主題/// </summary>/// <param name="subject">郵件主題</param>/// <returns>當前建造者實例以支持鏈式調用</returns>public EmailBuilder WithSubject(string subject){_email.Subject = subject;return this;}/// <summary>/// 設置郵件正文內容/// </summary>/// <param name="body">郵件內容</param>/// <returns>當前建造者實例以支持鏈式調用</returns>public EmailBuilder WithBody(string body){_email.Body = body;return this;}/// <summary>/// 添加附件/// </summary>/// <param name="attachment">附件路徑</param>/// <returns>當前建造者實例以支持鏈式調用</returns>public EmailBuilder WithAttachment(string attachment){_email.Attachments.Add(attachment);return this;}/// <summary>/// 設置郵件為HTML格式/// </summary>/// <param name="isHtml">是否是HTML格式</param>/// <returns>當前建造者實例以支持鏈式調用</returns>public EmailBuilder AsHtml(bool isHtml = true){_email.IsHtml = isHtml;return this;}/// <summary>/// 設置抄送地址/// </summary>/// <param name="cc">抄送郵箱地址</param>/// <returns>當前建造者實例以支持鏈式調用</returns>public EmailBuilder WithCc(string cc){_email.Cc = cc;return this;}/// <summary>/// 設置密送地址/// </summary>/// <param name="bcc">密送郵箱地址</param>/// <returns>當前建造者實例以支持鏈式調用</returns>public EmailBuilder WithBcc(string bcc){_email.Bcc = bcc;return this;}/// <summary>/// 構建電子郵件對象/// </summary>/// <returns>構建好的電子郵件</returns>public Email Build(){// 這里可以添加驗證邏輯，例如檢查必填字段if (string.IsNullOrEmpty(_email.From))throw new InvalidOperationException("發件人地址不能為空");if (string.IsNullOrEmpty(_email.To))throw new InvalidOperationException("收件人地址不能為空");return _email;}
}// 客戶端代碼
public class FluentClient
{public static void Run(){// 使用流暢接口創建一封簡單郵件var simpleEmail = new EmailBuilder().From("sender@example.com").To("recipient@example.com").WithSubject("問候郵件").WithBody("您好！這是一封測試郵件。").Build();Console.WriteLine("簡單郵件:");simpleEmail.Display();// 使用流暢接口創建一封復雜郵件var complexEmail = new EmailBuilder().From("manager@company.com").To("team@company.com").WithCc("supervisor@company.com").WithBcc("records@company.com").WithSubject("項目進度報告").WithBody("<h1>項目進度</h1><p>團隊成員們，請查看附件中的項目進度報告。</p>").AsHtml().WithAttachment("progress_report.pdf").WithAttachment("schedule.xlsx").Build();Console.WriteLine("\n復雜郵件:");complexEmail.Display();}
}// 執行客戶端代碼
FluentClient.Run();/* 輸出結果：
簡單郵件:
電子郵件詳情:
發件人: sender@example.com
收件人: recipient@example.com
主題: 問候郵件
正文: 您好！這是一封測試郵件。
格式: 純文本復雜郵件:
電子郵件詳情:
發件人: manager@company.com
收件人: team@company.com
抄送: supervisor@company.com
密送: records@company.com
主題: 項目進度報告
正文: <h1>項目進度</h1><p>團隊成員們，請查看附件中的項目進度報告。</p>
格式: HTML
附件:
- progress_report.pdf
- schedule.xlsx
*/

在這個流暢接口實現中：

每個設置方法返回建造者本身，這使得可以鏈式調用方法
提供了一種更加簡潔、可讀性更高的方式來構建復雜對象
允許按需設置各個屬性，支持可選參數
在最后調用Build()方法來獲取構建好的對象，同時可以進行必要的驗證

使用指揮者角色

在一些更復雜的場景中，指揮者（Director）角色可以更好地封裝不同的構建過程。下面是一個使用指揮者角色的計算機配置示例：

/// <summary>
/// 產品類 - 計算機
/// </summary>
public class Computer
{// 計算機的各個組件public string CPU { get; set; }public string RAM { get; set; }public string Storage { get; set; }public string GraphicsCard { get; set; }public string Monitor { get; set; }public string OperatingSystem { get; set; }/// <summary>/// 顯示計算機配置/// </summary>public void ShowConfiguration(){Console.WriteLine("計算機配置:");Console.WriteLine($"CPU: {CPU ?? "未指定"}");Console.WriteLine($"內存: {RAM ?? "未指定"}");Console.WriteLine($"存儲: {Storage ?? "未指定"}");Console.WriteLine($"顯卡: {GraphicsCard ?? "未指定"}");Console.WriteLine($"顯示器: {Monitor ?? "未指定"}");Console.WriteLine($"操作系統: {OperatingSystem ?? "未指定"}");}
}/// <summary>
/// 抽象建造者 - 計算機建造者
/// </summary>
public interface IComputerBuilder
{void BuildCPU();void BuildRAM();void BuildStorage();void BuildGraphicsCard();void BuildMonitor();void InstallOperatingSystem();Computer GetComputer();
}/// <summary>
/// 具體建造者 - 游戲計算機建造者
/// </summary>
public class GamingComputerBuilder : IComputerBuilder
{private Computer _computer = new Computer();public void BuildCPU(){_computer.CPU = "Intel Core i9-11900K";}public void BuildRAM(){_computer.RAM = "32GB DDR4 3600MHz";}public void BuildStorage(){_computer.Storage = "2TB NVMe SSD";}public void BuildGraphicsCard(){_computer.GraphicsCard = "NVIDIA GeForce RTX 3080";}public void BuildMonitor(){_computer.Monitor = "27英寸 4K 144Hz 游戲顯示器";}public void InstallOperatingSystem(){_computer.OperatingSystem = "Windows 11 Pro";}public Computer GetComputer(){return _computer;}
}/// <summary>
/// 具體建造者 - 辦公計算機建造者
/// </summary>
public class OfficeComputerBuilder : IComputerBuilder
{private Computer _computer = new Computer();public void BuildCPU(){_computer.CPU = "Intel Core i5-11400";}public void BuildRAM(){_computer.RAM = "16GB DDR4 2666MHz";}public void BuildStorage(){_computer.Storage = "512GB SSD";}public void BuildGraphicsCard(){_computer.GraphicsCard = "集成顯卡";}public void BuildMonitor(){_computer.Monitor = "24英寸 1080p 辦公顯示器";}public void InstallOperatingSystem(){_computer.OperatingSystem = "Windows 10 專業版";}public Computer GetComputer(){return _computer;}
}/// <summary>
/// 具體建造者 - 開發計算機建造者
/// </summary>
public class DeveloperComputerBuilder : IComputerBuilder
{private Computer _computer = new Computer();public void BuildCPU(){_computer.CPU = "AMD Ryzen 9 5900X";}public void BuildRAM(){_computer.RAM = "64GB DDR4 3200MHz";}public void BuildStorage(){_computer.Storage = "1TB NVMe SSD + 2TB HDD";}public void BuildGraphicsCard(){_computer.GraphicsCard = "NVIDIA GeForce RTX 3060";}public void BuildMonitor(){_computer.Monitor = "雙 27英寸 4K 專業顯示器";}public void InstallOperatingSystem(){_computer.OperatingSystem = "Ubuntu 22.04 LTS";}public Computer GetComputer(){return _computer;}
}/// <summary>
/// 指揮者 - 計算機裝配指揮者
/// </summary>
public class ComputerDirector
{/// <summary>/// 構建完整計算機/// </summary>/// <param name="builder">計算機建造者</param>/// <returns>構建好的計算機</returns>public Computer BuildFullComputer(IComputerBuilder builder){builder.BuildCPU();builder.BuildRAM();builder.BuildStorage();builder.BuildGraphicsCard();builder.BuildMonitor();builder.InstallOperatingSystem();return builder.GetComputer();}/// <summary>/// 構建基本計算機(無顯卡、基本顯示器)/// </summary>/// <param name="builder">計算機建造者</param>/// <returns>構建好的計算機</returns>public Computer BuildBasicComputer(IComputerBuilder builder){builder.BuildCPU();builder.BuildRAM();builder.BuildStorage();builder.InstallOperatingSystem();return builder.GetComputer();}/// <summary>/// 構建無操作系統的計算機/// </summary>/// <param name="builder">計算機建造者</param>/// <returns>構建好的計算機</returns>public Computer BuildComputerWithoutOS(IComputerBuilder builder){builder.BuildCPU();builder.BuildRAM();builder.BuildStorage();builder.BuildGraphicsCard();builder.BuildMonitor();return builder.GetComputer();}
}/// <summary>
/// 客戶端代碼
/// </summary>
public class DirectorClient
{public static void Run(){// 創建指揮者var director = new ComputerDirector();// 構建游戲計算機（完整配置）var gamingBuilder = new GamingComputerBuilder();var gamingComputer = director.BuildFullComputer(gamingBuilder);Console.WriteLine("游戲計算機配置:");gamingComputer.ShowConfiguration();// 構建基本辦公計算機var officeBuilder = new OfficeComputerBuilder();var officeComputer = director.BuildBasicComputer(officeBuilder);Console.WriteLine("\n辦公計算機配置:");officeComputer.ShowConfiguration();// 構建無操作系統的開發計算機var developerBuilder = new DeveloperComputerBuilder();var developerComputer = director.BuildComputerWithoutOS(developerBuilder);Console.WriteLine("\n開發計算機配置(無操作系統):");developerComputer.ShowConfiguration();}
}// 執行客戶端代碼
DirectorClient.Run();/* 輸出結果：
游戲計算機配置:
計算機配置:
CPU: Intel Core i9-11900K
內存: 32GB DDR4 3600MHz
存儲: 2TB NVMe SSD
顯卡: NVIDIA GeForce RTX 3080
顯示器: 27英寸 4K 144Hz 游戲顯示器
操作系統: Windows 11 Pro辦公計算機配置:
計算機配置:
CPU: Intel Core i5-11400
內存: 16GB DDR4 2666MHz
存儲: 512GB SSD
顯卡: 未指定
顯示器: 未指定
操作系統: Windows 10 專業版開發計算機配置(無操作系統):
計算機配置:
CPU: AMD Ryzen 9 5900X
內存: 64GB DDR4 3200MHz
存儲: 1TB NVMe SSD + 2TB HDD
顯卡: NVIDIA GeForce RTX 3060
顯示器: 雙 27英寸 4K 專業顯示器
操作系統: 未指定
*/

在這個實現中：

指揮者（ComputerDirector）定義了多種不同的構建過程（完整、基本、無操作系統）
具體建造者（GamingComputerBuilder、OfficeComputerBuilder、DeveloperComputerBuilder）提供了不同的實現方式
客戶端可以選擇不同的建造者和構建過程的組合，以獲得不同配置的計算機
指揮者封裝了構建過程，使得客戶端代碼更加簡潔