【设计模式】【创建型模式】建造者模式（Builder）

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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");

2. 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。
3. 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");

4. 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

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

StringBuilder和StringBuffer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。