建造者模式及優化

建造者模式是一種創建型設計模式，它將復雜對象的構建過程與表示分離，使得同樣的構建過程可以創建不同的表示。核心思想是指揮者定流程，建造者填細節，通過多個步驟逐步構建對象，并允許靈活組合這些步驟以生成不同配置的對象。通過將復雜對象的構建步驟抽象化，實現了"流程固定、配置可變"的靈活創建方式。

介紹

核心角色

  1. 產品（Product）：被構建的復雜對象（如電腦、汽車）。
  2. 抽象建造者（Abstract Builder）：定義構建產品的抽象方法（步驟）和返回產品的接口。
  3. 具體建造者（Concrete Builder）：實現抽象建造者的方法，完成具體的構建步驟，并提供獲取產品的方式。
  4. 指揮者（Director）：控制構建流程（調用建造者的步驟），隔離客戶端與構建過程。

優點

  1. 分離構建與表示：構建流程（指揮者）與具體部件配置（建造者）分離，便于擴展新產品。
  2. 靈活定制：通過更換具體建造者，可在不改變流程的情況下生成不同配置的對象。
  3. 精確控制構建過程：分步構建允許在每個步驟中加入校驗或邏輯，確保對象正確構建。
  4. 代碼復用：公共構建流程在指揮者中實現，避免重復編碼。

適用場景

  1. 構建復雜對象
    當對象包含多個部件（如電腦、汽車、文檔），且構建步驟固定但部件配置可變時（如不同配置的電腦）。
  2. 需要多種表示形式
    同一構建流程需生成不同產品（如同一文檔模板生成PDF、Word、HTML版本）。
  3. 構建過程需精細控制
    需分步構建對象，或需要在構建過程中調整步驟（如先裝CPU再裝內存，順序不可亂）。

實現

以組裝電腦為例，電腦包含CPU、內存、顯卡等部件，用戶可定制不同配置（如辦公電腦、游戲電腦），適合用建造者模式分離"組裝流程"和"具體配置"。

#include <string>
#include <iostream>
#include <vector>// 產品：電腦
class Computer {
private:std::string cpu;    // 處理器std::string memory; // 內存std::string graphics; // 顯卡std::string storage; // 存儲
public:void setCPU(const std::string& c) { cpu = c; }void setMemory(const std::string& m) { memory = m; }void setGraphics(const std::string& g) { graphics = g; }void setStorage(const std::string& s) { storage = s; }// 展示電腦配置void showInfo() const {std::cout << "CPU: " << cpu << "\n"<< "內存: " << memory << "\n"<< "顯卡: " << graphics << "\n"<< "存儲: " << storage << std::endl;}
};// 抽象建造者：定義電腦組裝步驟
class ComputerBuilder {
public:virtual ~ComputerBuilder() = default;virtual void buildCPU() = 0;    // 構建CPUvirtual void buildMemory() = 0; // 構建內存virtual void buildGraphics() = 0; // 構建顯卡virtual void buildStorage() = 0; // 構建存儲virtual Computer* getResult() = 0; // 返回組裝好的電腦
};// 具體建造者1：辦公電腦
class OfficeComputerBuilder : public ComputerBuilder {
private:Computer* computer; // 正在構建的電腦
public:OfficeComputerBuilder() { computer = new Computer(); }~OfficeComputerBuilder() override { delete computer; }void buildCPU() override {computer->setCPU("Intel i5"); // 辦公級CPU}void buildMemory() override {computer->setMemory("16GB DDR4"); // 中等內存}void buildGraphics() override {computer->setGraphics("集成顯卡"); // 無需獨立顯卡}void buildStorage() override {computer->setStorage("512GB SSD"); // 夠用的存儲}Computer* getResult() override {return computer; // 返回構建好的電腦（轉移所有權）}
};// 具體建造者2：游戲電腦
class GameComputerBuilder : public ComputerBuilder {
private:Computer* computer;
public:GameComputerBuilder() { computer = new Computer(); }~GameComputerBuilder() override { delete computer; }void buildCPU() override {computer->setCPU("Intel i9"); // 高性能CPU}void buildMemory() override {computer->setMemory("32GB DDR5"); // 大容量高速內存}void buildGraphics() override {computer->setGraphics("NVIDIA RTX 4090"); // 頂級顯卡}void buildStorage() override {computer->setStorage("2TB SSD"); // 大容量存儲}Computer* getResult() override {return computer;}
};// 指揮者：控制構建流程
class Director {
private:ComputerBuilder* builder; // 指向當前建造者
public:explicit Director(ComputerBuilder* b) : builder(b) {}// 切換建造者void setBuilder(ComputerBuilder* b) {builder = b;}// 執行構建流程（固定步驟）Computer* construct() {builder->buildCPU();builder->buildMemory();builder->buildGraphics();builder->buildStorage();return builder->getResult(); // 返回最終產品}
};int main() {// 1. 創建具體建造者（辦公電腦）ComputerBuilder* officeBuilder = new OfficeComputerBuilder();Director director(officeBuilder);  // 指揮者控制構建流程Computer* officePC = director.construct();  // 執行構建std::cout << "=== 辦公電腦配置 ===" << std::endl;officePC->showInfo();// 2. 創建具體建造者（游戲電腦）ComputerBuilder* gameBuilder = new GameComputerBuilder();director.setBuilder(gameBuilder);  // 切換建造者Computer* gamePC = director.construct();std::cout << "\n=== 游戲電腦配置 ===" << std::endl;gamePC->showInfo();// 清理資源delete officePC;delete gamePC;delete officeBuilder;delete gameBuilder;return 0;
}

輸出結果

=== 辦公電腦配置 ===
CPU: Intel i5
內存: 16GB DDR4
顯卡: 集成顯卡
存儲: 512GB SSD=== 游戲電腦配置 ===
CPU: Intel i9
內存: 32GB DDR5
顯卡: NVIDIA RTX 4090
存儲: 2TB SSD

應用場景

  1. 產品配置
    • 電子產品組裝（如電腦、手機的不同型號配置）。
    • 汽車制造（同一車型的標準版、豪華版、運動版）。
  2. 文檔生成
    • 報告生成工具（同一內容生成PDF、Markdown、HTML格式）。
    • 代碼生成器（根據模板生成不同語言的代碼）。
  3. 復雜對象創建
    • 游戲角色創建（同一角色模型，不同裝備、技能配置）。
    • 數據庫連接池（不同參數配置的連接對象）。
  4. 框架與庫
    • C++ STL中的stringstream（分步構建字符串）。
    • 建造者模式在JSON/XML解析器中用于構建樹形結構。

優化

優化方向

  1. 支持動態自定義配置：允許客戶端靈活設置每個部件（而非局限于預設的“辦公/游戲”配置）。
  2. 引入可選部件與校驗：支持非必需部件（如散熱器、聲卡），并添加部件兼容性校驗。
  3. 使用智能指針管理資源：避免手動內存管理，防止內存泄漏。
  4. 流暢接口（Fluent Interface）：通過鏈式調用簡化建造過程，提升代碼可讀性。
  5. 指揮者功能增強：支持自定義構建流程（如可選步驟、步驟順序調整）。
#include <string>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory> // 智能指針
#include <stdexcept> // 異常處理// 產品：電腦（支持更多部件和兼容性校驗）
class Computer {
private:std::string cpu;std::string memory;std::string graphics; // 可選：集成/獨立顯卡std::string storage;std::string cooler;   // 可選：散熱器std::vector<std::string> compatibleCPUs = {"Intel i5", "Intel i9", "AMD Ryzen 5"};std::vector<std::string> compatibleMemories = {"16GB DDR4", "32GB DDR5", "64GB DDR5"};public:// 鏈式設置方法（Fluent Interface）Computer& setCPU(const std::string& c) { // 校驗CPU兼容性if (std::find(compatibleCPUs.begin(), compatibleCPUs.end(), c) == compatibleCPUs.end()) {throw std::invalid_argument("不支持的CPU型號：" + c);}cpu = c; return *this; }Computer& setMemory(const std::string& m) { if (std::find(compatibleMemories.begin(), compatibleMemories.end(), m) == compatibleMemories.end()) {throw std::invalid_argument("不支持的內存型號：" + m);}memory = m; return *this; }Computer& setGraphics(const std::string& g) { graphics = g; return *this; }Computer& setStorage(const std::string& s) { storage = s; return *this; }Computer& setCooler(const std::string& c) { cooler = c; return *this; }// 展示配置（包含可選部件）void showInfo() const {std::cout << "CPU: " << cpu << "\n"<< "內存: " << memory << "\n"<< "顯卡: " << (graphics.empty() ? "無（集成）" : graphics) << "\n"<< "存儲: " << storage << "\n"<< "散熱器: " << (cooler.empty() ? "無（默認）" : cooler) << std::endl;}// 校驗必填部件是否齊全bool isValid() const {return !cpu.empty() && !memory.empty() && !storage.empty();}
};// 抽象建造者（支持鏈式調用和智能指針）
class ComputerBuilder {
public:using Ptr = std::unique_ptr<ComputerBuilder>; // 智能指針管理virtual ~ComputerBuilder() = default;// 純虛方法：構建步驟（支持鏈式返回）virtual ComputerBuilder& buildCPU() = 0;virtual ComputerBuilder& buildMemory() = 0;virtual ComputerBuilder& buildGraphics() { return *this; } // 可選步驟（默認空實現）virtual ComputerBuilder& buildStorage() = 0;virtual ComputerBuilder& buildCooler() { return *this; }   // 可選步驟// 返回產品（智能指針，自動釋放）virtual std::unique_ptr<Computer> getResult() {if (!computer->isValid()) {throw std::logic_error("電腦配置不完整，缺少必填部件");}return std::move(computer); // 轉移所有權}protected:std::unique_ptr<Computer> computer = std::make_unique<Computer>(); // 產品
};// 具體建造者1：辦公電腦（基礎配置，可選散熱器）
class OfficeComputerBuilder : public ComputerBuilder {
public:ComputerBuilder& buildCPU() override {computer->setCPU("Intel i5");return *this;}ComputerBuilder& buildMemory() override {computer->setMemory("16GB DDR4");return *this;}// 辦公電腦默認無獨立顯卡（使用集成），無需重寫buildGraphicsComputerBuilder& buildStorage() override {computer->setStorage("512GB SSD");return *this;}// 可選：為辦公電腦添加低端散熱器ComputerBuilder& buildCooler() override {computer->setCooler("基礎風冷散熱器");return *this;}
};// 具體建造者2：游戲電腦（高性能配置，強制獨立顯卡和散熱器）
class GameComputerBuilder : public ComputerBuilder {
public:ComputerBuilder& buildCPU() override {computer->setCPU("Intel i9");return *this;}ComputerBuilder& buildMemory() override {computer->setMemory("32GB DDR5");return *this;}// 游戲電腦必須有獨立顯卡（重寫為強制步驟）ComputerBuilder& buildGraphics() override {computer->setGraphics("NVIDIA RTX 4090");return *this;}ComputerBuilder& buildStorage() override {computer->setStorage("2TB SSD");return *this;}// 游戲電腦必須有高性能散熱器ComputerBuilder& buildCooler() override {computer->setCooler("水冷散熱器");return *this;}
};// 具體建造者3：自定義建造者（允許客戶端自由配置）
class CustomComputerBuilder : public ComputerBuilder {
public:// 空實現，由客戶端手動調用產品的set方法配置ComputerBuilder& buildCPU() override { return *this; }ComputerBuilder& buildMemory() override { return *this; }ComputerBuilder& buildStorage() override { return *this; }// 提供直接訪問產品的接口（用于自定義配置）Computer* getComputer() { return computer.get(); }
};// 指揮者（支持靈活流程和可選步驟）
class Director {
public:// 構建基礎電腦（必填部件：CPU、內存、存儲）std::unique_ptr<Computer> buildBasic(ComputerBuilder::Ptr builder) {builder->buildCPU()->buildMemory()->buildStorage();return builder->getResult();}// 構建完整電腦（包含可選部件）std::unique_ptr<Computer> buildFull(ComputerBuilder::Ptr builder) {builder->buildCPU()->buildMemory()->buildGraphics()->buildStorage()->buildCooler();return builder->getResult();}// 自定義流程（按傳入的步驟函數執行）using StepFunc = std::function<void(ComputerBuilder*)>;std::unique_ptr<Computer> buildCustom(ComputerBuilder::Ptr builder, const std::vector<StepFunc>& steps) {for (const auto& step : steps) {step(builder.get());}return builder->getResult();}
};int main() {try {Director director;// 1. 構建辦公電腦（基礎配置）std::cout << "=== 辦公電腦（基礎配置） ===" << std::endl;auto officeBasic = director.buildBasic(std::make_unique<OfficeComputerBuilder>());officeBasic->showInfo();// 2. 構建游戲電腦（完整配置）std::cout << "\n=== 游戲電腦（完整配置） ===" << std::endl;auto gameFull = director.buildFull(std::make_unique<GameComputerBuilder>());gameFull->showInfo();// 3. 自定義電腦（自由配置部件）std::cout << "\n=== 自定義電腦 ===" << std::endl;auto customBuilder = std::make_unique<CustomComputerBuilder>();// 直接配置產品的具體部件（鏈式調用）customBuilder->getComputer()->setCPU("AMD Ryzen 5")->setMemory("64GB DDR5")->setGraphics("AMD Radeon RX 7900")->setStorage("4TB SSD")->setCooler("高端風冷散熱器");// 用指揮者構建（此處僅做校驗）auto customPC = director.buildBasic(std::move(customBuilder));customPC->showInfo();// 4. 自定義構建流程（動態指定步驟）std::cout << "\n=== 動態流程構建（僅CPU+內存+存儲） ===" << std::endl;auto dynamicBuilder = std::make_unique<CustomComputerBuilder>();dynamicBuilder->getComputer()->setCPU("Intel i5")->setMemory("32GB DDR4")->setStorage("1TB SSD");// 定義自定義步驟（僅執行CPU和內存校驗）std::vector<Director::StepFunc> steps = {[](ComputerBuilder* b) { b->buildCPU(); },  // 實際是校驗CPU已設置[](ComputerBuilder* b) { b->buildMemory(); } // 校驗內存已設置};auto dynamicPC = director.buildCustom(std::move(dynamicBuilder), steps);dynamicPC->showInfo();} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "錯誤：" << e.what() << std::endl;return 1;}return 0;
}

輸出結果

=== 辦公電腦（基礎配置） ===
CPU: Intel i5
內存: 16GB DDR4
顯卡: 無（集成）
存儲: 512GB SSD
散熱器: 無（默認）=== 游戲電腦（完整配置） ===
CPU: Intel i9
內存: 32GB DDR5
顯卡: NVIDIA RTX 4090
存儲: 2TB SSD
散熱器: 水冷散熱器=== 自定義電腦 ===
CPU: AMD Ryzen 5
內存: 64GB DDR5
顯卡: AMD Radeon RX 7900
存儲: 4TB SSD
散熱器: 高端風冷散熱器=== 動態流程構建（僅CPU+內存+存儲） ===
CPU: Intel i5
內存: 32GB DDR4
顯卡: 無（集成）
存儲: 1TB SSD
散熱器: 無（默認）

優化點說明

  1. 動態自定義配置
    • 新增CustomComputerBuilder，允許客戶端通過getComputer()直接訪問產品，自由設置部件（如setCPU("AMD Ryzen 5")），突破預設配置的限制。
    • 配合鏈式調用（obj->setA()->setB()），使配置代碼更簡潔直觀。
  2. 可選部件與校驗機制
    • 將顯卡、散熱器設為可選部件，抽象建造者中提供默認空實現，具體建造者按需重寫（如游戲電腦必須實現buildGraphics）。
    • 產品內部添加兼容性校驗（如compatibleCPUs）和完整性校驗（isValid()），避免無效配置（如使用不支持的CPU型號）。
  3. 智能指針與資源安全
    • 使用std::unique_ptr管理建造者和產品的生命周期，無需手動delete，徹底避免內存泄漏。
    • 產品所有權通過std::move轉移，明確資源歸屬。
  4. 指揮者功能增強
    • 提供多種預設流程（buildBasic基礎配置、buildFull完整配置），滿足不同場景需求。
    • 支持自定義流程（buildCustom），通過函數對象動態指定步驟，靈活度極高（如僅構建CPU+內存+存儲）。
  5. 擴展性提升
    • 新增部件（如未來添加“聲卡”）時，只需在Computer中添加setSoundCard方法，抽象建造者中添加默認空實現，無需修改現有建造者和指揮者，符合開閉原則。

優點

  1. 更高的靈活性：支持預設配置、完全自定義配置、動態流程配置，適應多樣化需求。
  2. 更強的安全性：智能指針自動管理內存，校驗機制避免無效配置，異常處理明確錯誤原因。
  3. 更好的擴展性：新增部件或流程時，對現有代碼侵入性極小，易于維護。
  4. 更優的易用性：鏈式調用和多樣化構建接口降低使用門檻，客戶端可按需選擇復雜度。

適用場景

  • 復雜產品定制平臺：如電商網站的“自定義PC”功能，用戶可自由選擇每個部件，系統自動校驗兼容性。
  • 動態報表生成：允許用戶選擇報表包含的模塊（表格、圖表、摘要），按自定義順序組裝。
  • 游戲角色創建器：玩家可選擇角色的種族、職業、技能、裝備，系統確保選擇組合有效（如某些技能僅特定種族可用）。

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