设计模式- 建造者模式（Builder Pattern）结构|原理|优缺点|场景|示例

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建造者模式（Builder Pattern）是一种创建型设计模式，其主要目的是将复杂对象的构建过程与它的表示分离，使得相同的构建过程可以创建不同的表示。这种模式适用于创建包含多个可选部件、步骤复杂且可能需要逐步构建的复杂对象，它能将构建过程分解为多个独立的、可复用的步骤，使得对象的创建过程更加清晰、灵活且易于扩展。

模式结构

建造者模式通常包含以下角色：

• 产品（Product）：表示要构建的复杂对象，包含多个组成部件。
• 抽象建造者（Abstract Builder）：定义创建产品各个部件的接口，并声明一个方法返回最终的完整产品。
• 具体建造者（Concrete Builders）：实现抽象建造者的接口，提供创建产品各个部件的详细实现，并在最后返回一个完整的具体产品实例。
• 导演者（Director）：负责调用具体建造者的相关方法来一步步构建产品，它不涉及具体产品的部件创建细节，只负责按特定顺序安排建造过程。

工作原理

• 客户端：创建一个具体建造者实例，并将其交给导演者。客户端不直接与产品交互，而是通过导演者指定构建过程。
• 导演者：持有具体建造者实例，调用其方法按照预定的步骤构建产品。导演者不关心具体建造者的内部实现细节，只关注构建过程的顺序。
• 具体建造者：实现抽象建造者接口，提供构建产品各个部件的方法。每个具体建造者对应一种产品的不同构建方式。
• 产品：定义产品的组成部分和接口，供外界使用。具体建造者通过构建产品的各个部件来创建完整的产品实例。

优缺点

优点

• 封装性：将复杂对象的构建过程封装在建造者内部，与对象的表示分离，使客户端无需了解对象的内部构造细节。
• 灵活性：可以通过改变具体建造者来改变产品的内部结构，无需修改导演者和客户端代码，符合“开闭原则”。
• 可扩展性：易于扩展以构建不同类型的复杂对象，只需增加新的具体建造者即可。
• 可复用性：抽象建造者和具体建造者可以被多个导演者重用，构建过程可以独立于使用过程。

缺点

• 代码复杂度增加：引入了多个类（抽象建造者、具体建造者、导演者），增加了系统的复杂性，对于简单的对象构建可能显得过度设计。
• 产品结构固化：如果产品的内部结构需要频繁变动，可能需要不断修改建造者，维护成本较高。

适用场景

• 对象构建过程复杂：当对象的创建涉及多个步骤，且这些步骤的顺序和组合可能有多种变化时，适合使用建造者模式。
• 需要灵活改变产品内部结构：当需要构建的产品内部结构可变，或者存在多种不同结构的产品需要构建时，建造者模式可以提供灵活的构建方式。
• 构建过程独立于使用过程：当构建过程与产品的使用过程分离，且构建过程需要独立封装时，建造者模式能够很好地满足需求。

代码示例（以Java为例）

// 产品（复杂对象）
class Computer {
    private String cpu;
    private String ram;
    private String hdd;

    public Computer(String cpu, String ram, String hdd) {
        this.cpu = cpu;
        this.ram = ram;
        this.hdd = hdd;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Computer{" +
                "cpu='" + cpu + '\'' +
                ", ram='" + ram + '\'' +
                ", hdd='" + hdd + '\'' +
                '}';
    }
}

// 抽象建造者
interface ComputerBuilder {
    void buildCPU(String cpu);
    void buildRAM(String ram);
    void buildHDD(String hdd);
    Computer build();
}

// 具体建造者
class DesktopBuilder implements ComputerBuilder {
    private String cpu;
    private String ram;
    private String hdd;

    @Override
    public void buildCPU(String cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    @Override
    public void buildRAM(String ram) {
        this.ram = ram;
    }

    @Override
    public void buildHDD(String hdd) {
        this.hdd = hdd;
    }

    @Override
    public Computer build() {
        return new Computer(cpu, ram, hdd);
    }
}

// 导演者
class Director {
    public Computer constructComputer(ComputerBuilder builder) {
        builder.buildCPU("Intel i7");
        builder.buildRAM("16GB DDR4");
        builder.buildHDD("1TB SSD");
        return builder.build();
    }
}

// 客户端代码
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Director director = new Director();
        ComputerBuilder desktopBuilder = new DesktopBuilder();
        Computer computer = director.constructComputer(desktopBuilder);
        System.out.println(computer); // 输出：Computer{cpu='Intel i7', ram='16GB DDR4', hdd='1TB SSD'}
    }
}

在这个Java示例中：

• Computer类是复杂的产品对象，包含CPU、RAM和HDD三个部件。
• ComputerBuilder接口定义了构建计算机各个部件的方法，以及返回完整计算机对象的方法。
• DesktopBuilder类实现了ComputerBuilder接口，提供了构建计算机部件的具体实现。
• Director类负责调用DesktopBuilder的构建方法，按照特定顺序构建计算机，并返回构建完成的计算机对象。
• 客户端代码通过Director来构建计算机，无需关心具体的构建细节。如果需要构建不同类型的计算机（如笔记本电脑），只需创建新的具体建造者类并传递给Director即可。

代码示例（以Python为例） 

# 产品（复杂对象）
class Computer:
    def __init__(self, cpu, ram, hdd):
        self.cpu = cpu
        self.ram = ram
        self.hdd = hdd

    def __str__(self):
        return f"Computer(cpu={self.cpu}, ram={self.ram}, hdd={self.hdd})"

# 抽象建造者
class ComputerBuilder:
    def build_cpu(self, cpu):
        raise NotImplementedError("Subclasses must implement this method")

    def build_ram(self, ram):
        raise NotImplementedError("Subclasses must implement this method")

    def build_hdd(self, hdd):
        raise NotImplementedError("Subclasses must implement this method")

    def build(self):
        raise NotImplementedError("Subclasses must implement this method")

# 具体建造者
class DesktopBuilder(ComputerBuilder):
    def __init__(self):
        self.cpu = None
        self.ram = None
        self.hdd = None

    def build_cpu(self, cpu):
        self.cpu = cpu

    def build_ram(self, ram):
        self.ram = ram

    def build_hdd(self, hdd):
        self.hdd = hdd

    def build(self):
        return Computer(self.cpu, self.ram, self.hdd)

# 导演者
class Director:
    def construct_computer(self, builder):
        builder.build_cpu("Intel i7")
        builder.build_ram("16GB DDR4")
        builder.build_hdd("1TB SSD")
        return builder.build()

# 客户端代码
def main():
    director = Director()
    builder = DesktopBuilder()
    computer = director.construct_computer(builder)
    print(computer)  # 输出：Computer(cpu=Intel i7, ram=16GB DDR4, hdd=1TB SSD)

if __name__ == "__main__":
    main()

在这个Python示例中：

• Computer类是复杂的产品对象，包含CPU、RAM和HDD三个部件，并提供了__str__方法以便打印输出。
• ComputerBuilder类作为抽象建造者，定义了构建计算机各个部件的方法（build_cpu、build_ram、build_hdd）以及返回完整计算机对象的build方法，这些方法在抽象类中均抛出NotImplementedError，要求子类必须实现。
• DesktopBuilder类继承自ComputerBuilder，实现了具体构建计算机部件的方法，并在build方法中返回一个新建的Computer实例。
• Director类负责调用DesktopBuilder的构建方法，按照特定顺序构建计算机，并返回构建完成的计算机对象。
• 客户端代码通过Director来构建计算机，无需关心具体的构建细节。如果需要构建不同类型的计算机（如笔记本电脑），只需创建新的具体建造者类并传递给Director即可。