八.建造者模式

在软件开发过程中有时需要创建一个复杂的对象，这个复杂对象通常由多个子部件按一定的步骤组合而成。例如，计算机是由 OPU、主板、内存、硬盘、显卡、机箱、显示器、键盘、鼠标等部件组装而成的，采购员不可能自己去组装计算机，而是将计算机的配置要求告诉计算机销售公司，计算机销售公司安排技术人员去组装计算机，然后再交给要买计算机的采购员。

生活中这样的例子很多，如游戏中的不同角色，其性别、个性、能力、脸型、体型、服装、发型等特性都有所差异；还有汽车中的方向盘、发动机、车架、轮胎等部件也多种多样；每封电子邮件的发件人、收件人、主题、内容、附件等内容也各不相同。

以上所有这些产品都是由多个部件构成的，各个部件可以灵活选择，但其创建步骤都大同小异。这类产品的创建无法用前面介绍的工厂模式描述，只有建造者模式可以很好地描述该类产品的创建。

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：

各个具体的建造者相互独立，有利于系统的扩展。
客户端不必知道产品内部组成的细节，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，该模式会增加很多的建造者类。

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。

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

建造者（Builder）模式的主要角色如下。

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滅部件。
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。

其结构图如图 1 所示。

图1 建造者模式的结构图

2. 模式的实现

图 1 给出了建造者（Builder）模式的主要结构，其相关类的代码如下。

(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
}
}

(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.setPartA("建造 PartB");
}
public void buildPartC()
{
product.setPartA("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();
return builder.getResult();
}
}

(5) 客户类。

public class Client
{
public static void main(String[] args)
{
Builder builder=new ConcreteBuilder();
Director director=new Director(builder);
Product product=director.construct();
product.show();
}
}

模式的应用实例

【例1】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。其类图如图 2 所示。

图2 客厅装修的结构图

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 javax.xml.parsers.*;
import org.w3c.dom.*;
import java.io.*;
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;
}
}
}

程序运行结果如图 3 所示。

图3 客厅装修的运行结果

模式的应用场景

建造者（Builder）模式创建的是复杂对象，其产品的各个部分经常面临着剧烈的变化，但将它们组合在一起的算法却相对稳定，所以它通常在以下场合使用。

创建的对象较复杂，由多个部件构成，各部件面临着复杂的变化，但构件间的建造顺序是稳定的。
创建复杂对象的算法独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式，即产品的构建过程和最终的表示是独立的。

模式的扩展

建造者（Builder）模式在应用过程中可以根据需要改变，如果创建的产品种类只有一种，只需要一个具体建造者，这时可以省略掉抽象建造者，甚至可以省略掉指挥者角色。