Java建造者模式（Builder Pattern）详解与实践

一、引言

在软件开发中，我们经常会遇到需要创建复杂对象的场景。例如，构建一个包含多个可选参数的对象时，传统的构造函数或Setter方法可能导致代码臃肿、难以维护。此时，建造者模式（Builder Pattern）便成为一种优雅的解决方案。它通过分步骤构建对象，将对象的创建过程与其表示分离，从而提高代码的可读性和可维护性。

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二、什么是建造者模式？

建造者模式（Builder Pattern）是一种创建型设计模式，其核心思想是通过分步骤构造复杂对象，最终返回一个完整的产品。它允许相同的构建过程创建不同的表示，同时避免构造函数参数过多的问题。

例如：Person person1=new Person（10个参数）

如果只需要其中3个的话，就得提供一个3个参数的构造函数

1.核心角色

1. Product（产品）：最终构建的复杂对象。
2. Builder（抽象建造者）：定义构建产品的抽象步骤。
3. ConcreteBuilder（具体建造者）：实现Builder接口，完成具体构建逻辑。
4. Director（指挥者，可选）：控制构建流程，协调建造者的步骤。

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2.适用场景

• 创建包含多个部件的复杂对象（如配置类、HTTP请求对象）。
• 需要控制对象的创建过程（分步骤构建）。
• 需要构建不同表示的对象（相同构建过程，不同实现）。
• 希望避免构造器参数过多（解决“伸缩构造函数”问题）。

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三、代码示例：

1.电脑

⑴.产品 (Product)：Computer类表示要构建的电脑

产品提供每个字段的set方法

// 产品类：电脑
public class Computer {private String cpu;private String memory;private String hardDisk;private String graphicsCard;private String monitor;private String keyboard;private String mouse;public void setCpu(String cpu) {this.cpu = cpu;}public void setMemory(String memory) {this.memory = memory;}public void setHardDisk(String hardDisk) {this.hardDisk = hardDisk;}public void setGraphicsCard(String graphicsCard) {this.graphicsCard = graphicsCard;}public void setMonitor(String monitor) {this.monitor = monitor;}public void setKeyboard(String keyboard) {this.keyboard = keyboard;}public void setMouse(String mouse) {this.mouse = mouse;}@Overridepublic String toString() {return "Computer{" +"cpu='" + cpu + '\'' +", memory='" + memory + '\'' +", hardDisk='" + hardDisk + '\'' +", graphicsCard='" + graphicsCard + '\'' +", monitor='" + monitor + '\'' +", keyboard='" + keyboard + '\'' +", mouse='" + mouse + '\'' +'}';}
}    

⑵.抽象建造者 (Builder)：ComputerBuilder接口定义了构建电脑各部分的方法

接口定义二次封装的构建方法

// 抽象建造者接口
public interface ComputerBuilder {void buildCPU();void buildMemory();void buildHardDisk();void buildGraphicsCard();void buildMonitor();void buildKeyboard();void buildMouse();Computer getComputer();
}    

⑶.具体建造者 (ConcreteBuilder)：

GamingComputerBuilder和OfficeComputerBuilder实现了抽象接口

// 具体建造者：游戏电脑建造者
public class GamingComputerBuilder implements ComputerBuilder {private Computer computer = new Computer();@Overridepublic void buildCPU() {computer.setCpu("Intel i9-12900K");}@Overridepublic void buildMemory() {computer.setMemory("32GB DDR5 5200MHz");}@Overridepublic void buildHardDisk() {computer.setHardDisk("2TB NVMe SSD");}@Overridepublic void buildGraphicsCard() {computer.setGraphicsCard("NVIDIA RTX 4090");}@Overridepublic void buildMonitor() {computer.setMonitor("4K 144Hz Gaming Monitor");}@Overridepublic void buildKeyboard() {computer.setKeyboard("Mechanical Gaming Keyboard");}@Overridepublic void buildMouse() {computer.setMouse("High Precision Gaming Mouse");}@Overridepublic Computer getComputer() {return computer;}
}    

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// 具体建造者：办公电脑建造者
public class OfficeComputerBuilder implements ComputerBuilder {private Computer computer = new Computer();@Overridepublic void buildCPU() {computer.setCpu("Intel i5-12400");}@Overridepublic void buildMemory() {computer.setMemory("16GB DDR4 3200MHz");}@Overridepublic void buildHardDisk() {computer.setHardDisk("512GB NVMe SSD");}@Overridepublic void buildGraphicsCard() {computer.setGraphicsCard("Integrated Graphics");}@Overridepublic void buildMonitor() {computer.setMonitor("24-inch Full HD Monitor");}@Overridepublic void buildKeyboard() {computer.setKeyboard("Wireless Keyboard");}@Overridepublic void buildMouse() {computer.setMouse("Wireless Mouse");}@Overridepublic Computer getComputer() {return computer;}
}    

⑷.指挥者 (Director)：

ComputerDirector控制构建过程的顺序

// 指挥者：电脑装配指导
public class ComputerDirector {private ComputerBuilder computerBuilder;public ComputerDirector(ComputerBuilder computerBuilder) {this.computerBuilder = computerBuilder;}public void setComputerBuilder(ComputerBuilder computerBuilder) {this.computerBuilder = computerBuilder;}public Computer constructComputer() {computerBuilder.buildCPU();computerBuilder.buildMemory();computerBuilder.buildHardDisk();computerBuilder.buildGraphicsCard();computerBuilder.buildMonitor();computerBuilder.buildKeyboard();computerBuilder.buildMouse();return computerBuilder.getComputer();}
}    

⑸.测试

// 演示程序
public class BuilderPatternDemo {public static void main(String[] args) {// 创建具体建造者ComputerBuilder gamingBuilder = new GamingComputerBuilder();ComputerBuilder officeBuilder = new OfficeComputerBuilder();// 创建指挥者并指定建造者ComputerDirector director = new ComputerDirector(gamingBuilder);// 构建游戏电脑Computer gamingComputer = director.constructComputer();System.out.println("游戏电脑配置:");System.out.println(gamingComputer);// 切换为办公电脑建造者director.setComputerBuilder(officeBuilder);// 构建办公电脑Computer officeComputer = director.constructComputer();System.out.println("\n办公电脑配置:");System.out.println(officeComputer);}
}    

2.建造一座房屋

以下是一个完整、简单且可运行的Java代码示例，演示如何通过建造者模式构建一个House对象。

⑴. 产品类（Product）

public class House {private final String walls;private final String roof;private final String windows;// 私有构造函数，防止外部直接创建private House(Builder builder) {this.walls = builder.walls;this.roof = builder.roof;this.windows = builder.windows;}@Overridepublic String toString() {return "House{" +"walls='" + walls + '\'' +", roof='" + roof + '\'' +", windows='" + windows + '\'' +'}';}// 静态内部类：建造者public static class Builder {private String walls;private String roof;private String windows;// 设置墙壁public Builder setWalls(String walls) {this.walls = walls;return this;}// 设置屋顶public Builder setRoof(String roof) {this.roof = roof;return this;}// 设置窗户public Builder setWindows(String windows) {this.windows = windows;return this;}// 构建并返回House对象public House build() {return new House(this);}}
}

⑵.客户端调用（直接使用建造者）

public class Client {public static void main(String[] args) {// 使用建造者模式构建一座房屋House house = new House.Builder().setWalls("Brick").setRoof("Tile").setWindows("Double Glazed").build();System.out.println(house);}
}

⑶.可选：指挥者类（Director）

如果构建流程较为固定，可以通过Director类封装构建逻辑：

public class Director {// 构建标准房屋public House constructStandardHouse() {return new House.Builder().setWalls("Concrete").setRoof("Asphalt").setWindows("Single Glazed").build();}// 构建豪华房屋public House constructLuxuryHouse() {return new House.Builder().setWalls("Stone").setRoof("Wood").setWindows("Triple Glazed").build();}
}

⑷.客户端调用（通过Director）

public class ClientWithDirector {public static void main(String[] args) {Director director = new Director();House standardHouse = director.constructStandardHouse();House luxuryHouse = director.constructLuxuryHouse();System.out.println("Standard House: " + standardHouse);System.out.println("Luxury House: " + luxuryHouse);}
}

四、实际应用场景

建造者模式在Java生态中广泛应用于以下场景：

• Java内置类：StringBuilder的链式调用（如append()方法）。
• 复杂对象构建：如HTTP请求对象、数据库查询构建器。
• 配置类：例如，构建一个包含多个可选参数的配置对象。

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五、总结

建造者模式通过分步骤构建复杂对象，将对象的创建过程与表示分离，解决了构造函数参数过多、代码臃肿的问题。通过链式调用和可选参数的支持，它提高了代码的可读性和可维护性。在实际开发中，无论是构建一个简单的房屋对象，还是处理复杂的业务需求，建造者模式都能提供清晰的解决方案。