Java实现建造者模式和源码中的应用

Java实现建造者模式（Builder Pattern）

建造者模式（Builder Pattern）是一种创建型设计模式，主要用于分步骤构建复杂对象。与工厂模式不同的是，建造者模式允许你逐步地构造对象，并且不同的步骤可以有不同的实现，最终组合成一个复杂的对象。

这个模式尤其适合那些需要在多个步骤中配置或构造对象的场景，例如建造房子、配置计算机、制作汉堡🍔等。而且它可以让代码更加清晰和灵活，因为你可以通过不同的建造者来实现对象的不同变体。

案例：汉堡制作

假设我们有一个汉堡店，他们提供定制汉堡🍔。顾客可以选择面包类型、肉类、蔬菜、酱料等。每个汉堡可以有不同的组合，因此我们使用建造者模式来简化这个复杂的对象创建过程。

建造者模式的核心角色

1. Builder（建造者接口/抽象类）：定义创建产品对象的各个步骤的接口。
2. ConcreteBuilder（具体建造者）：实现Builder接口，提供步骤的具体实现。
3. Director（指挥者）：负责调用建造步骤，指导建造过程。
4. Product（产品）：最终要创建的复杂对象。

代码实现：汉堡制作 🍔

内部类实现：

Step 1：产品类 Burger

// 产品类：Burger
public class Burger {private String bun;       // 面包private String patty;     // 肉饼private String sauce;     // 酱料private String vegetables; // 蔬菜// 私有化构造函数，防止外部直接实例化private Burger() {}// 内部静态Builder类public static class Builder {private String bun;private String patty;private String sauce;private String vegetables;// 构建面包类型public Builder setBun(String bun) {this.bun = bun;return this;}// 构建肉饼类型public Builder setPatty(String patty) {this.patty = patty;return this;}// 构建酱料类型public Builder setSauce(String sauce) {this.sauce = sauce;return this;}// 构建蔬菜种类public Builder setVegetables(String vegetables) {this.vegetables = vegetables;return this;}// 最终构建出一个完整的Burger对象public Burger build() {Burger burger = new Burger();burger.bun = this.bun;burger.patty = this.patty;burger.sauce = this.sauce;burger.vegetables = this.vegetables;return burger;}}// 打印出汉堡的详细信息@Overridepublic String toString() {return "Burger with " + bun + ", " + patty + ", " + sauce + ", " + vegetables;}
}

Step 2：指挥者 Director

// 指挥者：负责指导汉堡的制作过程
public class Chef {public Burger makeCheeseburger() {return new Burger.Builder().setBun("Sesame Bun")     // 芝麻面包.setPatty("Beef Patty")   // 牛肉饼.setSauce("Cheese Sauce") // 芝士酱.setVegetables("Lettuce") // 生菜.build();}public Burger makeVeganBurger() {return new Burger.Builder().setBun("Whole Grain Bun") // 全麦面包.setPatty("Vegan Patty")   // 素食饼.setSauce("Mustard Sauce") // 芥末酱.setVegetables("Tomato, Lettuce") // 番茄和生菜.build();}
}

Step 3：客户端代码

public class Main {public static void main(String[] args) {Chef chef = new Chef();// 制作一个芝士汉堡Burger cheeseburger = chef.makeCheeseburger();System.out.println(cheeseburger);// 制作一个素食汉堡Burger veganBurger = chef.makeVeganBurger();System.out.println(veganBurger);}
}

结果

当运行这段代码时，输出如下：

Burger with Sesame Bun, Beef Patty, Cheese Sauce, Lettuce
Burger with Whole Grain Bun, Vegan Patty, Mustard Sauce, Tomato, Lettuce

总结

🥷💻 在这个例子中，我们用建造者模式解决了汉堡制作的复杂性：

1. 可扩展性：我们可以轻松地添加新步骤（比如加奶酪），或添加新的汉堡类型。
2. 清晰性：使用链式调用方式构建对象，每一步都是明确的。
3. 灵活性：不同的指挥者可以决定如何组合不同的步骤，产生不同的汉堡变种。

建造者模式非常适合处理需要多步骤配置的复杂对象创建需求，尤其是在需要灵活、可扩展的情况下。💡

抽象类实现

当你有多个复杂对象的构造方式类似，但是具体的构造细节不同，这时可以使用抽象类。抽象类提供一个统一的接口，并允许不同的具体实现类来实现各自的构建步骤。

例如，如果你有多个不同类型的“汉堡”或其他类型的复杂对象，这些对象有相似的结构，但具体的细节不同，那么抽象类就能发挥作用。抽象类提供了基础构建逻辑，而具体的子类负责实现细节

多个复杂对象共享部分构造逻辑：抽象类可以提供共享的构建步骤，具体的构建步骤由子类实现。

强制规范步骤：抽象类可以定义必须实现的方法，这样确保子类都能实现这些步骤。

减少重复代码：如果不同对象之间的构建步骤大部分相同，使用抽象类可以避免重复代码。

Step 1：产品类 Burger

// 产品类：汉堡
public class Burger {private String bun;private String patty;private String sauce;private String vegetables;// 各个字段的设置方法public void setBun(String bun) {this.bun = bun;}public void setPatty(String patty) {this.patty = patty;}public void setSauce(String sauce) {this.sauce = sauce;}public void setVegetables(String vegetables) {this.vegetables = vegetables;}// 输出汉堡详细信息@Overridepublic String toString() {return "Burger with " + bun + ", " + patty + ", " + sauce + ", " + vegetables;}
}

Step 2：抽象的 Builder 类

// 抽象建造者：定义基本的构建步骤
public abstract class BurgerBuilder {protected Burger burger;// 创建新的汉堡public void createNewBurger() {burger = new Burger();}// 具体的构建步骤，由子类实现public abstract void buildBun();public abstract void buildPatty();public abstract void buildSauce();public abstract void buildVegetables();// 返回最终构建的产品public Burger getBurger() {return burger;}
}

Step 3：具体的 Builder 类

// 具体的芝士汉堡建造者
public class CheeseburgerBuilder extends BurgerBuilder {@Overridepublic void buildBun() {burger.setBun("Sesame Bun");}@Overridepublic void buildPatty() {burger.setPatty("Beef Patty");}@Overridepublic void buildSauce() {burger.setSauce("Cheese Sauce");}@Overridepublic void buildVegetables() {burger.setVegetables("Lettuce");}
}// 具体的素食汉堡建造者
public class VeganBurgerBuilder extends BurgerBuilder {@Overridepublic void buildBun() {burger.setBun("Whole Grain Bun");}@Overridepublic void buildPatty() {burger.setPatty("Vegan Patty");}@Overridepublic void buildSauce() {burger.setSauce("Mustard Sauce");}@Overridepublic void buildVegetables() {burger.setVegetables("Tomato, Lettuce");}
}

Step 4：指挥者 Director

// 指挥者：负责调用建造者的构建步骤
public class Chef {private BurgerBuilder burgerBuilder;// 设置当前的建造者public void setBurgerBuilder(BurgerBuilder burgerBuilder) {this.burgerBuilder = burgerBuilder;}// 返回最终构建的汉堡public Burger getBurger() {return burgerBuilder.getBurger();}// 按步骤构建汉堡public void constructBurger() {burgerBuilder.createNewBurger();burgerBuilder.buildBun();burgerBuilder.buildPatty();burgerBuilder.buildSauce();burgerBuilder.buildVegetables();}
}

Step 5：客户端代码

public class Main {public static void main(String[] args) {Chef chef = new Chef();// 制作芝士汉堡BurgerBuilder cheeseburgerBuilder = new CheeseburgerBuilder();chef.setBurgerBuilder(cheeseburgerBuilder);chef.constructBurger();Burger cheeseburger = chef.getBurger();System.out.println(cheeseburger);// 制作素食汉堡BurgerBuilder veganBurgerBuilder = new VeganBurgerBuilder();chef.setBurgerBuilder(veganBurgerBuilder);chef.constructBurger();Burger veganBurger = chef.getBurger();System.out.println(veganBurger);}
}

输出结果

Burger with Sesame Bun, Beef Patty, Cheese Sauce, Lettuce
Burger with Whole Grain Bun, Vegan Patty, Mustard Sauce, Tomato, Lettuce

总结：使用抽象类的优点

1. 扩展性更强：如果要添加新的汉堡种类（比如鸡肉汉堡），只需要继承抽象的 BurgerBuilder 类并实现它的具体方法，不需要修改已有的代码。
2. 代码复用：公共逻辑可以在抽象类中实现，减少子类的代码重复。
3. 更灵活的设计：通过定义抽象的步骤，强制每个子类实现各自的步骤，实现了结构的统一性和逻辑的灵活性。

💡 在这种情况下，抽象类为不同类型的汉堡提供了一个标准化的构建流程，同时允许具体的实现类定义各自的细节，使得代码更具灵活性和可维护性。

源码中的应用

Java 标准库中，建造者模式（Builder Pattern）被广泛应用于许多类库和框架，尤其是在创建复杂对象时。这个模式的使用可以大大提高代码的可读性、可维护性，并且能够简化对象的创建过程。

以下是一些经典的 Java 源码应用了建造者模式的例子

1. StringBuilder 和 StringBuffer

StringBuilder 和 StringBuffer 是 Java 中经常使用的用于操作字符串的类，它们可以逐步构建一个字符串，类似于建造者模式。

StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append("Hello").append(" ").append("World").append("!");System.out.println(sb.toString());  // 输出 "Hello World!"

2.java.util.stream.Stream.Builder

Java 8 引入了 Stream API，Stream.Builder 是一种典型的建造者模式的应用，用于构建 Stream 对象。

Stream.Builder<String> builder = Stream.builder();
builder.add("one").add("two").add("three");Stream<String> stream = builder.build();  // 创建流
stream.forEach(System.out::println);

3.Lombok 中的 @Builder 注解

示例：使用 @Builder 注解

假设我们有一个 Person 类，包含姓名、年龄和地址等字段。我们可以使用 @Builder 注解来简化对象创建。

import lombok.Builder;
import lombok.ToString;@Builder
@ToString
public class Person {private String name;private int age;private String address;
}

通过 @Builder 注解，Lombok 会自动为我们生成一个建造者模式类。接下来我们就可以像这样使用：

public class Main {public static void main(String[] args) {Person person = Person.builder().name("Alice").age(25).address("123 Main St").build();System.out.println(person);}
}

#####*Lombok 自动生成的代码

Lombok 的 @Builder 实际上为我们生成了一个内部的静态 Builder 类，它的结构与我们手动实现的建造者模式非常相似。以 Person 类为例，Lombok 生成的 Builder 类大概是这样：

public class Person {private String name;private int age;private String address;// 私有构造函数，防止直接创建对象private Person(PersonBuilder builder) {this.name = builder.name;this.age = builder.age;this.address = builder.address;}public static PersonBuilder builder() {return new PersonBuilder();}// 静态的内部类 PersonBuilderpublic static class PersonBuilder {private String name;private int age;private String address;public PersonBuilder name(String name) {this.name = name;return this;}public PersonBuilder age(int age) {this.age = age;return this;}public PersonBuilder address(String address) {this.address = address;return this;}public Person build() {return new Person(this);}}@Overridepublic String toString() {return "Person(name=" + this.name + ", age=" + this.age + ", address=" + this.address + ")";}
}

总结

这些 Java 标准库中的类展示了建造者模式在实际开发中的广泛应用。建造者模式通过分步骤地构建复杂对象，提高了代码的灵活性和可读性，避免了冗长的构造函数调用。这使得代码更具扩展性，并且适合于那些对象创建过程中需要多步骤、多参数的场景。