Java 设计模式系列：建造者模式

简介

建造者模式（Builder Pattern）是一种对象构建设计模式，它提供了一种构建对象的最佳方式。这种模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

建造者模式的主要特点是它将一个复杂对象的构建与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。建造者模式将一个复杂对象的构建过程分为多个步骤，每一步只完成一部分构建工作，最终通过这些步骤的顺序完成整个对象的构建。通过将构建过程分解为一系列的步骤，使得客户端只需要关心所需产品的接口，而不必关心具体的构建过程。

结构

建造者（Builder）模式包含如下角色：

• 抽象建造者类（Builder）：这个接口规定要实现复杂对象的那些部分的创建，并不涉及具体的部件对象的创建。

• 具体建造者类（ConcreteBuilder）：实现 Builder 接口，完成复杂产品的各个部件的具体创建方法。在构造过程完成后，提供产品的实例。

• 产品类（Product）：要创建的复杂对象。

• 指挥者类（Director）：调用具体建造者来创建复杂对象的各个部分，在指导者中不涉及具体产品的信息，只负责保证对象各部分完整创建或按某种顺序创建。

类图如下：

案例实现

创建共享单车

生产自行车是一个复杂的过程，它包含了车架，车座等组件的生产。而车架又有碳纤维，铝合金等材质的，车座有橡胶，真皮等材质。对于自行车的生产就可以使用建造者模式。

这里Bike是产品，包含车架，车座等组件；Builder是抽象建造者，MobikeBuilder和OfoBuilder是具体的建造者；Director是指挥者。类图如下：

具体的代码如下：

//自行车类
public class Bike {
    private String frame;
    private String seat;

    public String getFrame() {
        return frame;
    }

    public void setFrame(String frame) {
        this.frame = frame;
    }

    public String getSeat() {
        return seat;
    }

    public void setSeat(String seat) {
        this.seat = seat;
    }
}

// 抽象 builder 类
public abstract class Builder {

    protected Bike mBike = new Bike();

    public abstract void buildFrame();
    public abstract void buildSeat();
    public abstract Bike createBike();
}

//摩拜单车Builder类
public class MobikeBuilder extends Builder {

    @Override
    public void buildFrame() {
        mBike.setFrame("铝合金车架");
    }

    @Override
    public void buildSeat() {
        mBike.setSeat("真皮车座");
    }

    @Override
    public Bike createBike() {
        return mBike;
    }
}

//ofo单车Builder类
public class OfoBuilder extends Builder {

    @Override
    public void buildFrame() {
        mBike.setFrame("碳纤维车架");
    }

    @Override
    public void buildSeat() {
        mBike.setSeat("橡胶车座");
    }

    @Override
    public Bike createBike() {
        return mBike;
    }
}

//指挥者类
public class Director {
    private Builder mBuilder;

    public Director(Builder builder) {
        mBuilder = builder;
    }

    public Bike construct() {
        mBuilder.buildFrame();
        mBuilder.buildSeat();
        return mBuilder.createBike();
    }
}

//测试类
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        showBike(new OfoBuilder());
        showBike(new MobikeBuilder());
    }
    private static void showBike(Builder builder) {
        Director director = new Director(builder);
        Bike bike = director.construct();
        System.out.println(bike.getFrame());
        System.out.println(bike.getSeat());
    }
}

注意：

上面示例是 Builder模式的常规用法，指挥者类 Director 在建造者模式中具有很重要的作用，它用于指导具体构建者如何构建产品，控制调用先后次序，并向调用者返回完整的产品类，但是有些情况下需要简化系统结构，可以把指挥者类和抽象建造者进行结合

// 抽象 builder 类
public abstract class Builder {

    protected Bike mBike = new Bike();

    public abstract void buildFrame();
    public abstract void buildSeat();
    public abstract Bike createBike();
    
    public Bike construct() {
        this.buildFrame();
        this.BuildSeat();
        return this.createBike();
    }
}

说明：

这样做确实简化了系统结构，但同时也加重了抽象建造者类的职责，也不是太符合单一职责原则，如果construct() 过于复杂，建议还是封装到 Director 中。

优缺点

优点：

• 建造者模式的封装性很好。使用建造者模式可以有效的封装变化，在使用建造者模式的场景中，一般产品类和建造者类是比较稳定的，因此，将主要的业务逻辑封装在指挥者类中对整体而言可以取得比较好的稳定性。
• 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。
• 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。
• 建造者模式很容易进行扩展。如果有新的需求，通过实现一个新的建造者类就可以完成，基本上不用修改之前已经测试通过的代码，因此也就不会对原有功能引入风险。符合开闭原则。

缺点：

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。

使用场景

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。

模式扩展

建造者模式除了上面的用途外，在开发中还有一个常用的使用方式，就是当一个类构造器需要传入很多参数时，如果创建这个类的实例，代码可读性会非常差，而且很容易引入错误，此时就可以利用建造者模式进行重构。

重构前代码如下：

public class Phone {
    private String cpu;
    private String screen;
    private String memory;
    private String mainboard;

    public Phone(String cpu, String screen, String memory, String mainboard) {
        this.cpu = cpu;
        this.screen = screen;
        this.memory = memory;
        this.mainboard = mainboard;
    }

    public String getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(String cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public String getScreen() {
        return screen;
    }

    public void setScreen(String screen) {
        this.screen = screen;
    }

    public String getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(String memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public String getMainboard() {
        return mainboard;
    }

    public void setMainboard(String mainboard) {
        this.mainboard = mainboard;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Phone{" +
                "cpu='" + cpu + '\'' +
                ", screen='" + screen + '\'' +
                ", memory='" + memory + '\'' +
                ", mainboard='" + mainboard + '\'' +
                '}';
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //构建Phone对象
        Phone phone = new Phone("intel","三星屏幕","金士顿","华硕");
        System.out.println(phone);
    }
}

上面在客户端代码中构建Phone对象，传递了四个参数，如果参数更多呢？代码的可读性及使用的成本就是比较高。

重构后代码：

public class Phone {

    private String cpu;
    private String screen;
    private String memory;
    private String mainboard;

    private Phone(Builder builder) {
        cpu = builder.cpu;
        screen = builder.screen;
        memory = builder.memory;
        mainboard = builder.mainboard;
    }

    public static final class Builder {
        private String cpu;
        private String screen;
        private String memory;
        private String mainboard;

        public Builder() {}

        public Builder cpu(String val) {
            cpu = val;
            return this;
        }
        public Builder screen(String val) {
            screen = val;
            return this;
        }
        public Builder memory(String val) {
            memory = val;
            return this;
        }
        public Builder mainboard(String val) {
            mainboard = val;
            return this;
        }
        public Phone build() {
            return new Phone(this);}
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Phone{" +
                "cpu='" + cpu + '\'' +
                ", screen='" + screen + '\'' +
                ", memory='" + memory + '\'' +
                ", mainboard='" + mainboard + '\'' +
                '}';
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone.Builder()
                .cpu("intel")
                .mainboard("华硕")
                .memory("金士顿")
                .screen("三星")
                .build();
        System.out.println(phone);
    }
}

重构后的代码在使用起来更方便，某种程度上也可以提高开发效率。从软件设计上，对程序员的要求比较高。

对比其他创建型模式

工厂方法模式VS建造者模式

工厂方法模式注重的是整体对象的创建方式；而建造者模式注重的是部件构建的过程，意在通过一步一步地精确构造创建出一个复杂的对象。

我们举个简单例子来说明两者的差异，如要制造一个超人，如果使用工厂方法模式，直接产生出来的就是一个力大无穷、能够飞翔、内裤外穿的超人；而如果使用建造者模式，则需要组装手、头、脚、躯干等部分，然后再把内裤外穿，于是一个超人就诞生了。

抽象工厂模式VS建造者模式

抽象工厂模式实现对产品家族的创建，一个产品家族是这样的一系列产品：具有不同分类维度的产品组合，采用抽象工厂模式则是不需要关心构建过程，只关心什么产品由什么工厂生产即可。

建造者模式则是要求按照指定的蓝图建造产品，它的主要目的是通过组装零配件而产生一个新产品。

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。

源码中的应用

JDK

StringBuilder 和 StringBuffer

StringBuilder 和 StringBuffer 类允许在字符串中进行链式调用的方式构建字符串。这种方法允许向字符串中追加文本、插入字符、替换字符等操作，最终构建出一个完整的字符串对象。

StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append("Hello").append(" ").append("World");
String result = builder.toString(); // 构建最终的字符串对象

java.nio.file.Path

java.nio.file.Path 接口提供了一种构建文件路径的方式。通过 Paths 工具类的 get() 方法，可以获取 Path 对象的实例，并且可以使用该对象的一系列方法来构建和操作文件路径。

Path path = Paths.get("/path/to/file");
Path resolvedPath = path.resolve("subdir").resolve("file.txt");

Spring

BeanDefinitionBuilder

Spring 提供了 BeanDefinitionBuilder 类，用于构建 BeanDefinition 对象，该对象包含了 Spring Bean 的元数据信息。通过 BeanDefinitionBuilder，可以方便地构建 Bean 的属性、依赖项、作用域等信息。

BeanDefinition beanDefinition = BeanDefinitionBuilder.genericBeanDefinition()
        .setBeanClass(MyBean.class)
        .addPropertyValue("propertyName", "propertyValue")
        .setScope(BeanDefinition.SCOPE_PROTOTYPE)
        .getBeanDefinition();

RestTemplateBuilder

Spring 提供了 RestTemplateBuilder 类，用于构建 RestTemplate 对象，该对象用于发送 HTTP 请求。通过 RestTemplateBuilder，可以方便地配置 RestTemplate 的各种属性和功能。

RestTemplate restTemplate = new RestTemplateBuilder()
        .setConnectTimeout(Duration.ofSeconds(10))
        .setReadTimeout(Duration.ofSeconds(10))
        .build();

SqlSessionFactoryBean

对于 MyBatis 的整合，Spring 提供了 SqlSessionFactoryBean 类，用于配置 MyBatis 的 SqlSessionFactory 对象。通过 SqlSessionFactoryBean，可以使用建造者模式来配置 MyBatis 的各种属性，如数据源、类型别名等。

SqlSessionFactoryBean sessionFactory = new SqlSessionFactoryBean();
sessionFactory.setDataSource(dataSource);
sessionFactory.setTypeAliasesPackage("com.example.domain");
sessionFactory.setMapperLocations(new PathMatchingResourcePatternResolver().getResources("classpath*:mapper/*.xml"));