建造者模式

1. 概述

定义：将一个复杂对象的构建与表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

• 分离了部件的构造（由 Builder 来负责）和装配（由 Director 负责），从而可以构造出复杂的对象。这个模式适用于：某个对象的构建过程复杂的情况；
• 由于实现了构建和装配的解耦，不同的构建器、相同的装配，可以做出不同的对象；相同的构建器、不同的装配顺序，也可以做出不同的对象。也就是实现了构建算法、装配算法的解耦，实现了更好的复用；
• 建造者模式可以将部件和其组装过程分开，一步一步创建一个复杂的对象。用户只需要指定复杂对象的类型就可以得到该对象，而无须知道其内部的具体构造细节。

2. 结构

建造者（Builder）模式包含如下角色：

角色	职责
抽象建造者类（Builder）	规定要实现复杂对象的哪些部分的创建，并不涉及具体的部件对象的创建
具体建造者类（Concrete Builder）	实现 Builder 接口，完成复杂产品的各个部件的具体创建方法，在构造过程完成后提供产品的实例
产品类（Product）	要创建的复杂对象
指挥者类（Director）	调用具体建造者来创建复杂对象的各个部分，不涉及具体产品的信息，只负责保证对象各部分完整创建或按某种顺序创建

类图如下：

3. 实例

创建共享单车

生产自行车是一个复杂的过程，它包含了车架、车座等组件的生产。而车架又有碳纤维、铝合金等材质的，车座有橡胶、真皮等材质。对于自行车的生产就可以使用建造者模式。

这里 Bike 是产品，包含车架、车座等组件；Builder 是抽象建造者，MobikeBuilder 和 OfoBuilder 是具体的建造者；Director 是指挥者。类图如下：

具体的代码如下：

// 自行车类（产品类）
public class Bike {
    private String frame;
    private String seat;

    public String getFrame() {
        return frame;
    }

    public void setFrame(String frame) {
        this.frame = frame;
    }

    public String getSeat() {
        return seat;
    }

    public void setSeat(String seat) {
        this.seat = seat;
    }
}

// 抽象 builder 类
public abstract class Builder {

    protected Bike mBike = new Bike();

    public abstract void buildFrame();
    public abstract void buildSeat();
    public abstract Bike createBike();
}

// 摩拜单车 Builder 类
public class MobikeBuilder extends Builder {

    @Override
    public void buildFrame() {
        mBike.setFrame("铝合金车架");
    }

    @Override
    public void buildSeat() {
        mBike.setSeat("真皮车座");
    }

    @Override
    public Bike createBike() {
        return mBike;
    }
}

// ofo 单车 Builder 类
public class OfoBuilder extends Builder {

    @Override
    public void buildFrame() {
        mBike.setFrame("碳纤维车架");
    }

    @Override
    public void buildSeat() {
        mBike.setSeat("橡胶车座");
    }

    @Override
    public Bike createBike() {
        return mBike;
    }
}

// 指挥者类
public class Director {
    private Builder mBuilder;

    public Director(Builder builder) {
        mBuilder = builder;
    }

    public Bike construct() {
        mBuilder.buildFrame();
        mBuilder.buildSeat();
        return mBuilder.createBike();
    }
}

// 测试类
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        showBike(new OfoBuilder());
        showBike(new MobikeBuilder());
    }

    private static void showBike(Builder builder) {
        Director director = new Director(builder);
        Bike bike = director.construct();
        System.out.println(bike.getFrame());
        System.out.println(bike.getSeat());
    }
}

运行输出：

碳纤维车架
橡胶车座
铝合金车架
真皮车座

注

上面示例是 Builder 模式的常规用法，指挥者类 Director 在建造者模式中具有很重要的作用：它用于指导具体建造者如何构建产品，控制调用先后次序，并向调用者返回完整的产品对象。但是有些情况下需要简化系统结构，可以把指挥者类和抽象建造者进行结合：

// 抽象 builder 类
public abstract class Builder {

    protected Bike mBike = new Bike();

    public abstract void buildFrame();
    public abstract void buildSeat();
    public abstract Bike createBike();

    public Bike construct() {
        this.buildFrame();
        this.buildSeat();
        return this.createBike();
    }
}

说明：这样做确实简化了系统结构，但同时也加重了抽象建造者类的职责，不太符合单一职责原则。如果 construct() 过于复杂，建议还是封装到 Director 中。

4. 优缺点

优点：

• 建造者模式的封装性很好。使用建造者模式可以有效地封装变化，在使用建造者模式的场景中，一般产品类和建造者类是比较稳定的，因此将主要的业务逻辑封装在指挥者类中对整体而言可以取得比较好的稳定性；
• 在建造者模式中，客户端不必知道产品内部组成的细节，将产品本身与产品的创建过程解耦，使得相同的创建过程可以创建不同的产品对象；
• 可以更加精细地控制产品的创建过程。将复杂产品的创建步骤分解在不同的方法中，使得创建过程更加清晰，也更方便使用程序来控制创建过程；
• 建造者模式很容易进行扩展。如果有新的需求，通过实现一个新的建造者类就可以完成，基本上不用修改之前已经测试通过的代码，因此也就不会对原有功能引入风险，符合开闭原则。

缺点：

• 建造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点，其组成部分相似。如果产品之间的差异性很大，则不适合使用建造者模式，因此其使用范围受到一定的限制。

5. 使用场景

建造者（Builder）模式创建的是复杂对象，其产品的各个部分经常面临着剧烈的变化，但将它们组合在一起的算法却相对稳定，所以它通常在以下场合使用：

• 创建的对象较复杂，由多个部件构成，各部件面临着复杂的变化，但构件间的建造顺序是稳定的；
• 创建复杂对象的算法独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式，即产品的构建过程和最终的表示是独立的。

6. 模式扩展：链式 Builder

建造者模式除了上面的用途外，在开发中还有一个常用的使用方式：当一个类构造器需要传入很多参数时，直接创建这个类的实例，代码可读性会非常差，而且很容易引入错误，此时就可以利用建造者模式进行重构。

重构前代码如下：

public class Phone {
    private String cpu;
    private String screen;
    private String memory;
    private String mainboard;

    public Phone(String cpu, String screen, String memory, String mainboard) {
        this.cpu = cpu;
        this.screen = screen;
        this.memory = memory;
        this.mainboard = mainboard;
    }

    public String getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(String cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public String getScreen() {
        return screen;
    }

    public void setScreen(String screen) {
        this.screen = screen;
    }

    public String getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(String memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public String getMainboard() {
        return mainboard;
    }

    public void setMainboard(String mainboard) {
        this.mainboard = mainboard;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Phone{" +
                "cpu='" + cpu + '\'' +
                ", screen='" + screen + '\'' +
                ", memory='" + memory + '\'' +
                ", mainboard='" + mainboard + '\'' +
                '}';
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 构建 Phone 对象
        Phone phone = new Phone("intel", "三星屏幕", "金士顿", "华硕");
        System.out.println(phone);
    }
}

上面在客户端代码中构建 Phone 对象，传递了四个参数。如果参数更多呢？光看 new Phone("intel", "三星屏幕", "金士顿", "华硕") 根本分不清哪个参数对应哪个部件，代码的可读性及使用成本就会比较高。

重构后代码：

public class Phone {

    private String cpu;
    private String screen;
    private String memory;
    private String mainboard;

    private Phone(Builder builder) {
        cpu = builder.cpu;
        screen = builder.screen;
        memory = builder.memory;
        mainboard = builder.mainboard;
    }

    public static final class Builder {
        private String cpu;
        private String screen;
        private String memory;
        private String mainboard;

        public Builder() {}

        public Builder cpu(String val) {
            cpu = val;
            return this;
        }

        public Builder screen(String val) {
            screen = val;
            return this;
        }

        public Builder memory(String val) {
            memory = val;
            return this;
        }

        public Builder mainboard(String val) {
            mainboard = val;
            return this;
        }

        public Phone build() {
            return new Phone(this);
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Phone{" +
                "cpu='" + cpu + '\'' +
                ", screen='" + screen + '\'' +
                ", memory='" + memory + '\'' +
                ", mainboard='" + mainboard + '\'' +
                '}';
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone.Builder()
                .cpu("intel")
                .mainboard("华硕")
                .memory("金士顿")
                .screen("三星")
                .build();
        System.out.println(phone);
    }
}

重构后的代码在使用起来更方便，每个参数都有方法名"自解释"，某种程度上也可以提高开发效率。从软件设计上，对程序员的要求比较高。

提示

这种链式 Builder 在开源框架中随处可见，如 StringBuilder、Lombok 的 @Builder、OkHttp 的 Request.Builder、MyBatis 的 SqlSessionFactoryBuilder 等，理解了本篇的标准结构后再看它们会非常轻松。

7. 小结

• 建造者模式的四个角色中，Builder 管"怎么造零件"，Director 管"按什么顺序造"，两者解耦带来了构建过程与表示的分离；
• 它与工厂模式的侧重点不同：工厂模式关注"创建哪种对象"，创建过程通常一步到位；建造者模式关注"如何一步步组装一个复杂对象"，强调构建的步骤与顺序；
• 实际开发中最常见的是"链式调用 + build()"的静态内部类 Builder 写法，用于解决多参数构造器的可读性问题。