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建造者模式(Bulider模式)詳解

在軟件開發過程中有時需要創建一個復雜的對象,這個復雜對象通常由多個子部件按一定的步驟組合而成。例如,計算機是由 OPU、主板、內存、硬盤、顯卡、機箱、顯示器、鍵盤、鼠標等部件組裝而成的,采購員不可能自己去組裝計算機,而是將計算機的配置要求告訴計算機銷售公司,計算機銷售公司安排技術人員去組裝計算機,然后再交給要買計算機的采購員。

生活中這樣的例子很多,如游戲中的不同角色,其性別、個性、能力、臉型、體型、服裝、發型等特性都有所差異;還有汽車中的方向盤、發動機、車架、輪胎等部件也多種多樣;每封電子郵件的發件人、收件人、主題、內容、附件等內容也各不相同。

以上所有這些產品都是由多個部件構成的,各個部件可以靈活選擇,但其創建步驟都大同小異。這類產品的創建無法用前面介紹的工廠模式描述,只有建造者模式可以很好地描述該類產品的創建。

模式的定義與特點

建造者(Builder)模式的定義:指將一個復雜對象的構造與它的表示分離,使同樣的構建過程可以創建不同的表示,這樣的設計模式被稱為建造者模式。它是將一個復雜的對象分解為多個簡單的對象,然后一步一步構建而成。它將變與不變相分離,即產品的組成部分是不變的,但每一部分是可以靈活選擇的。

該模式的主要優點如下:
  1. 各個具體的建造者相互獨立,有利于系統的擴展。
  2. 客戶端不必知道產品內部組成的細節,便于控制細節風險。

其缺點如下:
  1. 產品的組成部分必須相同,這限制了其使用范圍。
  2. 如果產品的內部變化復雜,該模式會增加很多的建造者類。

建造者(Builder)模式和工廠模式的關注點不同:建造者模式注重零部件的組裝過程,而工廠方法模式更注重零部件的創建過程,但兩者可以結合使用。

模式的結構與實現

建造者(Builder)模式由產品、抽象建造者、具體建造者、指揮者等 4 個要素構成,現在我們來分析其基本結構和實現方法。

1. 模式的結構

建造者(Builder)模式的主要角色如下。
  1. 產品角色(Product):它是包含多個組成部件的復雜對象,由具體建造者來創建其各個滅部件。
  2. 抽象建造者(Builder):它是一個包含創建產品各個子部件的抽象方法的接口,通常還包含一個返回復雜產品的方法 getResult()。
  3. 具體建造者(Concrete Builder):實現 Builder 接口,完成復雜產品的各個部件的具體創建方法。
  4. 指揮者(Director):它調用建造者對象中的部件構造與裝配方法完成復雜對象的創建,在指揮者中不涉及具體產品的信息。

其結構圖如圖 1 所示。

建造者模式的結構圖
圖1 建造者模式的結構圖

2. 模式的實現

圖 1 給出了建造者(Builder)模式的主要結構,其相關類的代碼如下。

(1) 產品角色:包含多個組成部件的復雜對象。
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()
    {
        //顯示產品的特性
    }
}

(2) 抽象建造者:包含創建產品各個子部件的抽象方法。
abstract class Builder
{
    //創建產品對象
    protected Product product=new Product();
    public abstract void buildPartA();
    public abstract void buildPartB();
    public abstract void buildPartC();
    //返回產品對象
    public Product getResult()
    {
        return product;
    }
}

(3) 具體建造者:實現了抽象建造者接口。
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) 指揮者:調用建造者中的方法完成復雜對象的創建。
class Director
{
    private Builder builder;
    public Director(Builder builder)
    {
        this.builder=builder;
    }
    //產品構建與組裝方法
    public Product construct()
    {
        builder.buildPartA();
        builder.buildPartB();
        builder.buildPartC();
        return builder.getResult();
    }
}

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

模式的應用實例

【例1】用建造者(Builder)模式描述客廳裝修。

分析:客廳裝修是一個復雜的過程,它包含墻體的裝修、電視機的選擇、沙發的購買與布局等??蛻舭蜒b修要求告訴項目經理,項目經理指揮裝修工人一步步裝修,最后完成整個客廳的裝修與布局,所以本實例用建造者模式實現比較適合。

這里客廳是產品,包括墻、電視和沙發等組成部分。具體裝修工人是具體建造者,他們負責裝修與墻、電視和沙發的布局。項目經理是指揮者,他負責指揮裝修工人進行裝修。

另外,客廳類中提供了 show() 方法,可以將裝修效果圖顯示出來(點此下載裝修效果圖的圖片)??蛻舳顺绦蛲ㄟ^對象生成器類 ReadXML 讀取 XML 配置文件中的裝修方案數據(點此下載 XML 文件),調用項目經理進行裝修。其類圖如圖 2 所示。

客廳裝修的結構圖
圖2 客廳裝修的結構圖

程序代碼如下:
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());
        }
    }
}
//產品:客廳
class Parlour
{
    private String wall;    //墻
    private String TV;    //電視
    private String sofa;    //沙發  
    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("建造者模式測試");
        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("客廳"));
        p.add(l);
        contentPane.add(sp,BorderLayout.CENTER);       
        jf.pack();  
        jf.setVisible(true);
        jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
    }   
}
//抽象建造者:裝修工人
abstract class Decorator
{
    //創建產品對象
    protected  Parlour product=new Parlour();
    public  abstract void buildWall();
    public  abstract void buildTV();
    public  abstract void buildSofa();
    //返回產品對象
    public  Parlour getResult()
    {
        return  product;
    }
}
//具體建造者:具體裝修工人1
class ConcreteDecorator1  extends Decorator
{
    public void buildWall()
    {
        product.setWall("w1");
    }
    public void buildTV()
    {
        product.setTV("TV1");
    }
    public void buildSofa()
    {
        product.setSofa("sf1");
    }
}
//具體建造者:具體裝修工人2
class ConcreteDecorator2 extends Decorator
{
    public void buildWall()
    {
        product.setWall("w2");
      }
      public void buildTV()
      {
          product.setTV("TV2");
      }
      public void buildSofa()
      {
          product.setSofa("sf2");
      }
}
//指揮者:項目經理
class ProjectManager
{
    private Decorator builder;
    public ProjectManager(Decorator builder)
    {
          this.builder=builder;
    }
    //產品構建與組裝方法
    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("新類名:"+cName);
            Class<?> c=Class.forName(cName);
              Object obj=c.newInstance();
            return obj;
         }  
         catch(Exception e)
         {
                   e.printStackTrace();
                   return null;
         }
    }
}

程序運行結果如圖 3 所示。

客廳裝修的運行結果
圖3 客廳裝修的運行結果

模式的應用場景

建造者(Builder)模式創建的是復雜對象,其產品的各個部分經常面臨著劇烈的變化,但將它們組合在一起的算法卻相對穩定,所以它通常在以下場合使用。
  • 創建的對象較復雜,由多個部件構成,各部件面臨著復雜的變化,但構件間的建造順序是穩定的。
  • 創建復雜對象的算法獨立于該對象的組成部分以及它們的裝配方式,即產品的構建過程和最終的表示是獨立的。

模式的擴展

建造者(Builder)模式在應用過程中可以根據需要改變,如果創建的產品種類只有一種,只需要一個具體建造者,這時可以省略掉抽象建造者,甚至可以省略掉指揮者角色。

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