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【设计模式】【创建型模式】建造者模式(Builder)

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文章目录

  • 一、入门
    • 什么是建造者模式?
    • 为什么要建造者模式?
    • 如何实现建造者模式?
      • 传统建造者
      • 链式建造者
  • 二、建造者模式在框架源码中的运用
    • Java中的StringBuilder和StringBuffer
    • Spring Framework中的BeanDefinitionBuilder
  • 三、总结
    • 建造者模式的优点
    • 建造者模式的缺点
    • 建造者模式的适用场景

一、入门

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,用于逐步构建复杂对象。
它通过将对象的构建过程与表示分离,使得相同的构建过程可以创建不同的表示。

为什么要建造者模式?

假设我们要组装电脑,需要cpu、内存、硬盘、gpu、电源…
没有使用建造者模式,我们会这样写:

public class Computer {private String cpu;private String memory;private String hardDisk;private String gpu;private String powerSupply;public Computer(String cpu, String memory, String hardDisk, String gpu, String powerSupply) {this.cpu = cpu;this.memory = memory;this.hardDisk = hardDisk;this.gpu = gpu;this.powerSupply = powerSupply;}
}

存在问题

  1. 构造方法参数过多(Telescoping Constructor Problem):调用这样的构造方法时,代码会变得非常冗长且难以理解:
Computer computer = new Computer("Intel i7", "16GB", "1TB SSD", "NVIDIA RTX 3080", "750W");
  1. 对象的不一致性:在某些情况下,对象可能需要在不同的步骤中逐步构建。如果没有建造者模式,对象可能会在未完全初始化的情况下被使用,导致不一致的状态。
  2. 代码的可读性可维护性变差:当对象的构建过程复杂时,直接在客户端代码中编写构建逻辑会导致代码重复和难以维护。
Computer computer = new Computer();
computer.setCpu("Intel i7");
computer.setMemory("16GB");
computer.setHardDisk("1TB SSD");
computer.setGpu("NVIDIA RTX 3080");
computer.setPowerSupply("750W");
  1. 缺乏灵活性:如果对象的构建过程需要支持多种不同的配置或表示形式,直接在客户端代码中编写构建逻辑会导致代码的灵活性降低。例如,如果需要构建不同类型的计算机(如游戏计算机、办公计算机等),每种类型的构建逻辑可能会有所不同,导致代码重复和难以扩展。

如何实现建造者模式?

传统建造者

主要角色

  1. Product(产品类):最终要构建的复杂对象。
  2. Builder(抽象建造者):定义构建步骤的接口。
  3. ConcreteBuilder(具体建造者):实现Builder接口,提供具体的构建步骤。
  4. Director(指挥者):负责调用Builder的步骤,控制构建过程。

【案例】组装电脑 - 改
在这里插入图片描述
Product(产品类)Computer类,最终要构建的复杂对象。

class Computer {private String cpu;private String memory;private String hardDisk;public void setCpu(String cpu) {this.cpu = cpu;}public void setMemory(String memory) {this.memory = memory;}public void setHardDisk(String hardDisk) {this.hardDisk = hardDisk;}@Overridepublic String toString() {return "Computer [cpu=" + cpu + ", memory=" + memory + ", hardDisk=" + hardDisk + "]";}
}

Builder(抽象建造者)ComputerBuilder接口,定义构建步骤的接口。

interface ComputerBuilder {void buildCpu();void buildMemory();void buildHardDisk();Computer getComputer();
}

ConcreteBuilder(具体建造者)GamingComputerBuilder类,实现Builder接口,提供具体的构建步骤。

class GamingComputerBuilder implements ComputerBuilder {private Computer computer;public GamingComputerBuilder() {this.computer = new Computer();}@Overridepublic void buildCpu() {computer.setCpu("Intel i7");}@Overridepublic void buildMemory() {computer.setMemory("16GB");}@Overridepublic void buildHardDisk() {computer.setHardDisk("1TB SSD");}@Overridepublic Computer getComputer() {return computer;}
}

Director(指挥者)ComputerDirector类,负责调用Builder的步骤,控制构建过程。

class ComputerDirector {private ComputerBuilder computerBuilder;public ComputerDirector(ComputerBuilder computerBuilder) {this.computerBuilder = computerBuilder;}public void constructComputer() {computerBuilder.buildCpu();computerBuilder.buildMemory();computerBuilder.buildHardDisk();}public Computer getComputer() {return computerBuilder.getComputer();}
}

客户端代码

public class BuilderPatternDemo {public static void main(String[] args) {ComputerBuilder builder = new GamingComputerBuilder();ComputerDirector director = new ComputerDirector(builder);director.constructComputer();Computer computer = director.getComputer();System.out.println(computer);}
}

链式建造者

流式接口(Fluent Interface)或链式建造者模式。这种方式通过返回this来实现链式调用,代码更加简洁和直观。
下面是一个使用链式调用的建造者模式示例:

产品类(Computer)

class Computer {private String cpu;private String memory;private String hardDisk;private String gpu;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 setGpu(String gpu) {this.gpu = gpu;}@Overridepublic String toString() {return "Computer [cpu=" + cpu + ", memory=" + memory + ", hardDisk=" + hardDisk + ", gpu=" + gpu + "]";}
}

建造者类(ComputerBuilder)

class ComputerBuilder {private Computer computer;public ComputerBuilder() {this.computer = new Computer();}public ComputerBuilder buildCpu(String cpu) {computer.setCpu(cpu);return this; // 返回this,支持链式调用}public ComputerBuilder buildMemory(String memory) {computer.setMemory(memory);return this; // 返回this,支持链式调用}public ComputerBuilder buildHardDisk(String hardDisk) {computer.setHardDisk(hardDisk);return this; // 返回this,支持链式调用}public ComputerBuilder buildGpu(String gpu) {computer.setGpu(gpu);return this; // 返回this,支持链式调用}public Computer build() {return computer; // 返回最终构建的对象}
}

客户端代码

public class BuilderPatternDemo {public static void main(String[] args) {// 使用链式调用构建对象Computer computer = new ComputerBuilder().buildCpu("Intel i7").buildMemory("16GB").buildHardDisk("1TB SSD").buildGpu("NVIDIA RTX 3080").build();System.out.println(computer);}
}

对比传统建造者模式

  • 传统建造者模式:通过Director类控制构建过程,适合构建过程固定的场景。
  • 链式建造者模式:通过返回this实现链式调用,适合构建过程灵活、需要动态配置的场景。

二、建造者模式在框架源码中的运用

Java中的StringBuilder和StringBuffer

StringBuilderStringBuffer是Java中用于构建字符串的类,它们使用了类似建造者模式的思想,通过链式调用来逐步构建字符串。
示例

StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append("Hello").append(" ").append("World");
String result = builder.toString();
System.out.println(result); // 输出: Hello World
  • 分析:
    • append方法返回this,支持链式调用。
    • 通过逐步构建字符串,最终调用toString方法生成结果。

Spring Framework中的BeanDefinitionBuilder

在Spring框架中,BeanDefinitionBuilder用于构建BeanDefinition对象,它是Spring IoC容器中定义Bean的核心类。
示例

BeanDefinitionBuilder builder = BeanDefinitionBuilder.rootBeanDefinition(MyBean.class);
builder.addPropertyValue("name", "MyBeanName").addPropertyValue("age", 30).setScope(BeanDefinition.SCOPE_SINGLETON);BeanDefinition beanDefinition = builder.getBeanDefinition();
  • 分析:
    • BeanDefinitionBuilder通过链式调用逐步配置Bean的属性。
    • 最终通过getBeanDefinition方法生成BeanDefinition对象。

三、总结

建造者模式的优点

  1. 分离构建与表示
    • 将对象的构建过程与表示分离,使得相同的构建过程可以创建不同的表示。
    • 客户端不需要知道对象的具体构建细节。
  2. 灵活性和可扩展性
    • 可以逐步构建对象,支持动态配置。
    • 新增构建步骤或修改构建顺序非常方便。
  3. 代码可读性和可维护性
    • 链式调用(Fluent Interface)使代码更加简洁和直观。
    • 将复杂的构建逻辑封装在建造者类中,客户端代码更清晰。
  4. 避免构造方法参数过多
    • 通过逐步设置属性,避免了构造方法参数过长的问题(Telescoping Constructor Problem)。
  5. 保证对象的一致性
    • 对象在完全构建之前不会被使用,确保对象的一致性和完整性。

建造者模式的缺点

  1. 增加代码复杂性
    • 需要额外定义建造者类,增加了类的数量。
    • 对于简单对象,使用建造者模式可能会显得冗余。
  2. 适用范围有限
    • 适用于构建复杂对象,如果对象属性较少或构建过程简单,使用建造者模式可能会过度设计。
  3. 性能开销
    • 由于需要创建建造者对象,可能会引入额外的性能开销(通常可以忽略不计)。

建造者模式的适用场景

  1. 构建复杂对象
    • 当对象有很多属性,且构建过程复杂时,适合使用建造者模式。
    • 例如,构建一个包含多个配置项的计算机对象。
  2. 需要多种表示形式
    • 当同一个构建过程需要生成不同的对象表示时,适合使用建造者模式。
    • 例如,构建不同类型的计算机(游戏计算机、办公计算机等)。
  3. 避免构造方法参数过多
    • 当构造方法参数过多,导致代码难以阅读和维护时,适合使用建造者模式。
  4. 需要逐步构建对象
    • 当对象的构建过程需要分步骤完成时,适合使用建造者模式。
    • 例如,构建一个HTTP请求配置对象。
  5. 框架或工具类中的配置对象
    • 在框架或工具类中,经常需要构建复杂的配置对象,建造者模式非常适合这种场景。
    • 例如,Spring中的BeanDefinitionBuilder、Apache HttpClient中的RequestConfig.Builder等。

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