【四】设计模式~~~创建型模式~~~建造者模式（Java）

【学习难度：★★★★☆，使用频率：★★☆☆☆】

4.1. 模式动机

       无论是在现实世界中还是在软件系统中，都存在一些复杂的对象，它们拥有多个组成部分，如汽车，它包括车轮、方向盘、发送机等各种部件。而对于大多数用户而言，无须知道这些部件的装配细节，也几乎不会使用单独某个部件，而是使用一辆完整的汽车，可以通过建造者模式对其进行设计与描述，建造者模式可以将部件和其组装过程分开，一步一步创建一个复杂的对象。用户只需要指定复杂对象的类型就可以得到该对象，而无须知道其内部的具体构造细节。
       在软件开发中，也存在大量类似汽车一样的复杂对象，它们拥有一系列成员属性，这些成员属性中有些是引用类型的成员对象。而且在这些复杂对象中，还可能存在一些限制条件，如某些属性没有赋值则复杂对象不能作为一个完整的产品使用；有些属性的赋值必须按照某个顺序，一个属性没有赋值之前，另一个属性可能无法赋值等。
       复杂对象相当于一辆有待建造的汽车，而对象的属性相当于汽车的部件，建造产品的过程就相当于组合部件的过程。由于组合部件的过程很复杂，因此，这些部件的组合过程往往被“外部化”到一个称作建造者的对象里，建造者返还给客户端的是一个已经建造完毕的完整产品对象，而用户无须关心该对象所包含的属性以及它们的组装方式，这就是建造者模式的模式动机。

4.2. 模式定义

       建造者模式(Builder Pattern)：将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
       建造者模式是一步一步创建一个复杂的对象，它允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们，用户不需要知道内部的具体构建细节。建造者模式属于对象创建型模式。根据中文翻译的不同，建造者模式又可以称为生成器模式。

4.3. 模式结构

建造者模式包含如下角色：

• Builder：抽象建造者，它为创建一个产品Product对象的各个部件指定抽象接口，在该接口中一般声明两类方法，一类方法是buildPartX()，它们用于创建复杂对象的各个部件；另一类方法是getResult()，它们用于返回复杂对象。Builder既可以是抽象类，也可以是接口。
• ConcreteBuilder：具体建造者，它实现了Builder接口，实现各个部件的具体构造和装配方法，定义并明确它所创建的复杂对象，也可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象。
• Director：指挥者，指挥者又称为导演类，它负责安排复杂对象的建造次序，指挥者与抽象建造者之间存在关联关系，可以在其construct()建造方法中调用建造者对象的部件构造与装配方法，完成复杂对象的建造。客户端一般只需要与指挥者进行交互，在客户端确定具体建造者的类型，并实例化具体建造者对象（也可以通过配置文件和反射机制），然后通过指挥者类的构造函数或者Setter方法将该对象传入指挥者类中。
• Product：产品角色，它是被构建的复杂对象，包含多个组成部件，具体建造者创建该产品的内部表示并定义它的装配过程。

4.4. 时序图

4.5. 代码分析

       在建造者模式的定义中提到了复杂对象，那么什么是复杂对象？简单来说，复杂对象是指那些包含多个成员属性的对象，这些成员属性也称为部件或零件，如汽车包括方向盘、发动机、轮胎等部件，电子邮件包括发件人、收件人、主题、内容、附件等部件，一个典型的复杂对象类代码示例如下：

class Product  {
       private  String partA; //定义部件，部件可以是任意类型，包括值类型和引用类型
       private  String partB;
       private  String partC;
       //partA的Getter方法和Setter方法省略
       //partB的Getter方法和Setter方法省略
       //partC的Getter方法和Setter方法省略
}
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       在抽象建造者类中定义了产品的创建方法和返回方法，其典型代码如下：

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;
       }
}
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       在抽象类Builder中声明了一系列抽象的buildPartX()方法用于创建复杂产品的各个部件，具体建造过程在ConcreteBuilder中实现，此外还提供了工厂方法getResult()，用于返回一个建造好的完整产品。

       在ConcreteBuilder中实现了buildPartX()方法，通过调用Product的setPartX()方法可以给产品对象的成员属性设值。不同的具体建造者在实现buildPartX()方法时将有所区别，如setPartX()方法的参数可能不一样，在有些具体建造者类中某些setPartX()方法无须实现（提供一个空实现）。而这些对于客户端来说都无须关心，客户端只需知道具体建造者类型即可。

       在建造者模式的结构中还引入了一个指挥者类Director，该类主要有两个作用：一方面它隔离了客户与创建过程；另一方面它控制产品的创建过程，包括某个buildPartX()方法是否被调用以及多个buildPartX()方法调用的先后次序等。指挥者针对抽象建造者编程，客户端只需要知道具体建造者的类型，即可通过指挥者类调用建造者的相关方法，返回一个完整的产品对象。在实际生活中也存在类似指挥者一样的角色，如一个客户去购买电脑，电脑销售人员相当于指挥者，只要客户确定电脑的类型，电脑销售人员可以通知电脑组装人员给客户组装一台电脑。指挥者类的代码示例如下：

class Director {

       private  Builder builder;

       public  Director(Builder builder) {
              this.builder=builder;
       }

      
       public  void setBuilder(Builder builder) {
              this.builder=builer;
       }

      
     //产品构建与组装方法
       public Product construct() {
              builder.buildPartA();
              builder.buildPartB();
              builder.buildPartC();
              return builder.getResult();
       }

}
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       在指挥者类中可以注入一个抽象建造者类型的对象，其核心在于提供了一个建造方法construct()，在该方法中调用了builder对象的构造部件的方法，最后返回一个产品对象。
对于客户端而言，只需关心具体的建造者即可，一般情况下，客户端类代码片段如下所示：

Builder  builder = new ConcreteBuilder(); //可通过配置文件实现

Director director = new  Director(builder);

Product product = director.construct();
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       可以通过配置文件来存储具体建造者类ConcreteBuilder的类名，使得更换新的建造者时无须修改源代码，系统扩展更为方便。在客户端代码中，无须关心产品对象的具体组装过程，只需指定具体建造者的类型即可。

       建造者模式与抽象工厂模式有点相似，但是建造者模式返回一个完整的复杂产品，而抽象工厂模式返回一系列相关的产品；在抽象工厂模式中，客户端通过选择具体工厂来生成所需对象，而在建造者模式中，客户端通过指定具体建造者类型并指导Director类如何去生成对象，侧重于一步步构造一个复杂对象，然后将结果返回。如果将抽象工厂模式看成一个汽车配件生产厂，生成不同类型的汽车配件，那么建造者模式就是一个汽车组装厂，通过对配件进行组装返回一辆完整的汽车。

4.6. 模式分析

       抽象建造者类中定义了产品的创建方法和返回方法;
       建造者模式的结构中还引入了一个指挥者类Director，该类的作用主要有两个：一方面它隔离了客户与生产过程；另一方面它负责控制产品的生成过程。指挥者针对抽象建造者编程，客户端只需要知道具体建造者的类型，即可通过指挥者类调用建造者的相关方法，返回一个完整的产品对象
       在客户端代码中，无须关心产品对象的具体组装过程，只需确定具体建造者的类型即可，建造者模式将复杂对象的构建与对象的表现分离开来，这样使得同样的构建过程可以创建出不同的表现。

4.7. 实例

实例一：KFC套餐
建造者模式可以用于描述KFC如何创建套餐：套餐是一个复杂对象，它一般包含主食（如汉堡、鸡肉卷等）和饮料（如果汁、 可乐等）等组成部分，不同的套餐有不同的组成部分，而KFC的服务员可以根据顾客的要求，一步一步装配这些组成部分，构造一份完整的套餐，然后返回给顾客。

实例二：游戏角色的创建
Sunny公司开发人员决定使用建造者模式来实现游戏角色的创建，其基本结构如图8-3所示：

在图8-3中，ActorController充当指挥者，ActorBuilder充当抽象建造者，HeroBuilder、AngelBuilder和DevilBuilder充当具体建造者，Actor充当复杂产品。完整代码如下所示：

4.7.1 Acotor角色类（复杂产品）

package com.zyz.demo1;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/10 13:38
 * @Description:    Actor角色类：复杂产品，考虑到代码的可读性，只列出部分成员属性，
 *                       且成员属性的类型均为String，真实情况下，有些成员属性的类型需自定义
 */
public class Actor {

    private  String type;//角色类型
    private  String sex; //性别
    private  String face; //脸型
    private  String costume; //服装
    private  String hairstyle; //发型

    public String getType() {
        return type;
    }

    public void setType(String type) {
        this.type = type;
    }

    public String getSex() {
        return sex;
    }

    public void setSex(String sex) {
        this.sex = sex;
    }

    public String getFace() {
        return face;
    }

    public void setFace(String face) {
        this.face = face;
    }

    public String getCostume() {
        return costume;
    }

    public void setCostume(String costume) {
        this.costume = costume;
    }

    public String getHairstyle() {
        return hairstyle;
    }

    public void setHairstyle(String hairstyle) {
        this.hairstyle = hairstyle;
    }
}
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4.7.2 角色建造器（抽象建造者）

package com.zyz.demo1;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/10 13:43
 * @Description: 角色建造器：抽象建造者
 */
public abstract class ActorBuilder {
    protected Actor actor = new Actor();

    public abstract void buildType();
    public abstract void buildSex();
    public abstract void buildFace();
    public abstract void buildCostume();
    public abstract void buildHairstyle();

//工厂方法，返回一个完整的游戏角色对象

    public Actor createActor() {
        return actor;
    }

}
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4.7.3 具体建造者

package com.zyz.demo1;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/10 13:47
 * @Description:  天使角色建造器：具体建造者
 */
public class AngelBuilder extends ActorBuilder{
    @Override
    public void buildType() {
        actor.setType("天使");
    }

    @Override
    public void buildSex() {
        actor.setSex("女");
    }

    @Override
    public void buildFace() {
        actor.setFace("漂亮");
    }

    @Override
    public void buildCostume() {
        actor.setCostume("白裙");
    }

    @Override
    public void buildHairstyle() {
        actor.setHairstyle("披肩长发");
    }
}

package com.zyz.demo1;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/10 13:51
 * @Description:  恶魔角色建造器：具体建造者
 */
public class DevilBuilder extends ActorBuilder {
    @Override
    public void buildType() {
        actor.setType("恶魔");
    }

    @Override
    public void buildSex() {
        actor.setSex("妖");
    }

    @Override
    public void buildFace() {
        actor.setFace("丑陋");
    }

    @Override
    public void buildCostume() {
        actor.setCostume("黑衣");
    }

    @Override
    public void buildHairstyle() {
        actor.setHairstyle("光头");
    }

}

package com.zyz.demo1;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/10 13:45
 * @Description:  英雄角色建造器：具体建造者
 */
public class HeroBuilder extends ActorBuilder{
    @Override
    public void buildType() {
        actor.setType("英雄");
    }

    @Override
    public void buildSex() {
        actor.setSex("男");
    }

    @Override
    public void buildFace() {
        actor.setFace("英俊");
    }

    @Override
    public void buildCostume() {
        actor.setCostume("盔甲");
    }

    @Override
    public void buildHairstyle() {
        actor.setHairstyle("飘逸");
    }
}
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4.7.4 指挥者

package com.zyz.demo1;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/10 13:57
 * @Description: 游戏角色创建控制器：指挥者
 */
public class ActorController {
    //逐步构建复杂产品对象

    public Actor construct(ActorBuilder ab) {
        Actor actor;
        ab.buildType();
        ab.buildSex();
        ab.buildFace();
        ab.buildCostume();
        ab.buildHairstyle();
        actor = ab.createActor();
        return actor;
    }

}
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4.7.5 客户端

package com.zyz.demo1;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/10 16:29
 * @Description:
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        ActorBuilder ab; //针对抽象建造者编程
        ab = new AngelBuilder();

        ActorController ac = new ActorController();
        Actor actor;
        actor = ac.construct(ab); //通过指挥者创建完整的建造者对象

        String type = actor.getType();;
        System.out.println(type + "的外观");
        System.out.println("性别："+actor.getSex());
        System.out.println("面容："+actor.getFace());
        System.out.println("服装："+actor.getCostume());
        System.out.println("发型："+actor.getHairstyle());
    }
}
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4.7.6 结果

4.8. 优点

• 在建造者模式中， 客户端不必知道产品内部组成的细节，将产品本身与产品的创建过程解耦，使得相同的创建过程可以创建不同的产品对象。
• 每一个具体建造者都相对独立，而与其他的具体建造者无关，因此可以很方便地替换具体建造者或增加新的具体建造者， 用户使用不同的具体建造者即可得到不同的产品对象 。
• 可以更加精细地控制产品的创建过程 。将复杂产品的创建步骤分解在不同的方法中，使得创建过程更加清晰，也更方便使用程序来控制创建过程。
• 增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码，指挥者类针对抽象建造者类编程，系统扩展方便，符合“开闭原则”。

4.9. 缺点

• 建造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点，其组成部分相似，如果产品之间的差异性很大，则不适合使用建造者模式，因此其使用范围受到一定的限制。
• 如果产品的内部变化复杂，可能会导致需要定义很多具体建造者类来实现这种变化，导致系统变得很庞大。

4.10. 适用环境

在以下情况下可以使用建造者模式：

• 需要生成的产品对象有复杂的内部结构，这些产品对象通常包含多个成员属性。
• 需要生成的产品对象的属性相互依赖，需要指定其生成顺序。
• 对象的创建过程独立于创建该对象的类。在建造者模式中引入了指挥者类，将创建过程封装在指挥者类中，而不在建造者类中。
• 隔离复杂对象的创建和使用，并使得相同的创建过程可以创建不同的产品。

4.11. 模式应用

       在很多游戏软件中，地图包括天空、地面、背景等组成部分，人物角色包括人体、服装、装备等组成部分，可以使用建造者模式对其进行设计，通过不同的具体建造者创建不同类型的地图或人物。

4.12. 模式扩展

建造者模式的简化:

• 省略抽象建造者角色：如果系统中只需要一个具体建造者的话，可以省略掉抽象建造者。
• 省略指挥者角色：在具体建造者只有一个的情况下，如果抽象建造者角色已经被省略掉，那么还可以省略指挥者角色，让
  Builder角色扮演指挥者与建造者双重角色。
  建造者模式与抽象工厂模式的比较:
• 与抽象工厂模式相比， 建造者模式返回一个组装好的完整产品 ，而 抽象工厂模式返回一系列相关的产品，这些产品位于不同的产品等级结构，构成了一个产品族。
• 在抽象工厂模式中，客户端实例化工厂类，然后调用工厂方法获取所需产品对象，而在建造者模式中，客户端可以不直接调用建造者的相关方法，而是通过指挥者类来指导如何生成对象，包括对象的组装过程和建造步骤，它侧重于一步步构造一个复杂对象，返回一个完整的对象。
• 如果将抽象工厂模式看成 汽车配件生产工厂 ，生产一个产品族的产品，那么建造者模式就是一个 汽车组装工厂 ，通过对部件的组装可以返回一辆完整的汽车。

4.13. 总结

• 建造者模式将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。建造者模式是一步一步创建一个复杂的对象，它允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们，用户不需要知道内部的具体构建细节。建造者模式属于对象创建型模式。
• 建造者模式包含如下四个角色：抽象建造者为创建一个产品对象的各个部件指定抽象接口；具体建造者实现了抽象建造者接口，实现各个部件的构造和装配方法，定义并明确它所创建的复杂对象，也可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象；产品角色是被构建的复杂对象，包含多个组成部件；指挥者负责安排复杂对象的建造次序，指挥者与抽象建造者之间存在关联关系，可以在其construct()建造方法中调用建造者对象的部件构造与装配方法，完成复杂对象的建造
• 在建造者模式的结构中引入了一个指挥者类，该类的作用主要有两个：一方面它隔离了客户与生产过程；另一方面它负责控制产品的生成过程。指挥者针对抽象建造者编程，客户端只需要知道具体建造者的类型，即可通过指挥者类调用建造者的相关方法，返回一个完整的产品对象。
• 建造者模式的主要优点在于客户端不必知道产品内部组成的细节，将产品本身与产品的创建过程解耦，使得相同的创建过程可以创建不同的产品对象，每一个具体建造者都相对独立，而与其他的具体建造者无关，因此可以很方便地替换具体建造者或增加新的具体建造者，符合“开闭原则”，还可以更加精细地控制产品的创建过程；其主要缺点在于由于建造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点，其组成部分相似，因此其使用范围受到一定的限制，如果产品的内部变化复杂，可能会导致需要定义很多具体建造者类来实现这种变化，导致系统变得很庞大。
• 建造者模式适用情况包括：需要生成的产品对象有复杂的内部结构，这些产品对象通常包含多个成员属性；需要生成的产品对象的属性相互依赖，需要指定其生成顺序；对象的创建过程独立于创建该对象的类；隔离复杂对象的创建和使用，并使得相同的创建过程可以创建不同类型的产品。

4.14 扩展（读取xml文件）

       为了提高系统的灵活性和可扩展性，我们将具体建造者类的类名存储在配置文件中，并通过工具类XMLUtil来读取配置文件并反射生成对象，XMLUtil类的代码如下所示：

package com.zyz.demo1.config;

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

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/10 16:55
 * @Description: 该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名，并返回一个实例对象
 */
public class XMLUtil {

    public static Object getBean() {
        try {
            String path = "F:\\java学习资料(后端)\\github管理后端学习资料\\后端学习\\设计模式\\代码\\DesignPatterns-Java-Examples\\4. 建造者模式\\src\\main\\resources\\config.xml";
            //创建文档对象
            DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;
            doc = builder.parse(new File(path));

            //获取包含类名的文本节点
            NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className");
            Node classNode = nl.item(0).getFirstChild();
            String cName = classNode.getNodeValue();

            //通过类名生成实例对象并将其返回
            Class c = Class.forName("com.zyz.demo1." + cName);
            Object obj = c.newInstance();
            return obj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }

    }

}
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配置文件config.xml中存储了具体建造者类的类名，代码如下所示：

<?xml version="1.0"?>
<config>
    <className>HeroBuilder</className>
</config>
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编写如下客户端测试代码：

package com.zyz.demo1;

import com.zyz.demo1.config.XMLUtil;

/**
 * @author zyz
 * @version 1.0
 * @data 2023/5/10 16:58
 * @Description:
 */
public class Client2 {
    public static void main(String[] args) {

        ActorBuilder ab; //针对抽象建造者编程
        ab =  (ActorBuilder) XMLUtil.getBean(); //反射生成具体建造者对象

        ActorController ac = new ActorController();
        Actor actor;
        actor = ac.construct(ab); //通过指挥者创建完整的建造者对象

        String type = actor.getType();;
        System.out.println(type + "的外观");
        System.out.println("性别："+actor.getSex());
        System.out.println("面容："+actor.getFace());
        System.out.println("服装："+actor.getCostume());
        System.out.println("发型："+actor.getHairstyle());
    }
}
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执行结果