08. 建造者模式

一、建造者模式

  建造者模式（Builder Pattern）是较为复杂的创建型模式，它将客户端与包含多个组成部分（或部件）的复杂对象的创建过程分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。客户端无须知道复杂对象的内部组成部分与装配方式，只需要知道所需的建造者类型即可。建造者模式关注如何一步一步地创建一个复杂对象，不同的具体建造者定义了不同的创建过程，且具体建造者相互独立，增加新的建造者非常方便，无须修改已有代码，系统具有较好的扩展性。

  在建造者模式中，有几个关键的角色：

• 抽象建造者（Builder）：它为创建一个产品 Product 对象的各个部件指定抽象接口。在该接口中一般声明两类方法：一类方法是 buildPartX()，用于创建复杂对象的各个部件；另一类方法是 getResult()，用于返回复杂对象。Builder 既可以是抽象类，也可以是接口。
• 具体建造者（Concrete Builder）：它实现了 Builder 接口，实现各个部件的具体构造和装配方法，定义并明确其所创建的复杂对象，也可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象。。
• 产品（Product）：它是被构建的复杂对象，包含多个组成部件。具体建造者创建该产品的内部表示并定义其装配过程。
• 指挥（Director）：指挥者又称为导演类，它负责安排复杂对象的建造次序。指挥者与抽象建造者之间存在关联关系，可以在其 construct() 建造方法中调用建造者对象的部件构造与装配方法，完成复杂对象的建造。客户端一般只需要与指挥者进行交互，在客户端确定具体建造者的类型，并实例化具体建造者对象（也可以通过配置文件和反射机制），然后通过指挥者类的构造函数或者 Setter() 方法将该对象传入指挥者类中。

  创建者模式分离了部件的 创建（由 Builder 来负责）和 装配（由 Director 负责），从而可以构造出复杂的对象。由于实现了构建和装配的解耦。不同的构建器，相同的配置，也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。

二、C++实现构建者模式

  复杂对象是指那些包含多个成员变量的对象，这些成员变量也称为部件或零件。

// 产品
class SingleChip
{
private:
    std::string CPU;
    std::string FLASH;
    std::string SRAM;

public:
    SingleChip(void);
    SingleChip(std::string CPU, std::string FLASH, std::string SRAM);

    std::string getCPU(void);
    void setCPU(std::string CPU);

    std::string getFLASH(void);
    void setFLASH(std::string FLASH);

    std::string getSRAM(void);
    void setSRAM(std::string SRAM);
};

SingleChip::SingleChip(void) {};
SingleChip::SingleChip(std::string CPU, std::string FLASH, std::string RAM) : CPU(CPU), FLASH(FLASH), SRAM(SRAM) {};

std::string SingleChip::getCPU(void)
{
    return CPU;
}

void SingleChip::setCPU(std::string CPU)
{
    this->CPU = CPU;
}

std::string SingleChip::getFLASH(void)
{
    return FLASH;
}

void SingleChip::setFLASH(std::string FLASH)
{
    this->FLASH = FLASH;
}

std::string SingleChip::getSRAM(void)
{
    return SRAM;
}

void SingleChip::setSRAM(std::string SRAM)
{
    this->SRAM = SRAM;
}

  在抽象类 Builder 中声明了一系列抽象的 buildPartX() 方法，用于创建复杂产品的各个部件，具体建造过程在 Concrete Builder 中实现。此外，还提供了工厂方法 getResult()，用于返回一个建造好的完整产品。

// 抽象构建者
class Builder
{
private:
    SingleChip * singleChip = new SingleChip();

public:
    virtual void buildCPU(void) = 0;
    virtual void buildFLASH(void) = 0;
    virtual void buildSRAM(void) = 0;

    SingleChip * getResult(void);
};

SingleChip * Builder::getResult(void)
{
    return singleChip;
}

  在具体建造者中实现了 buildPartX() 方法，通过调用 Product 的 setPartX() 方法可以给产品对象的成员变量设值。不同的具体建造者在实现 buildPartX() 方法时将有所区别。

// 具体构建者
class STM32Builder : public Builder
{
public:
    void buildCPU(void) override;
    void buildFLASH(void) override;
    void buildSRAM(void) override;
};

void STM32Builder::buildCPU(void)
{
    getResult()->setCPU("STM32F407ZGT6");
}

void STM32Builder::buildFLASH(void)
{
    getResult()->setFLASH("1MB");
}
void STM32Builder::buildSRAM(void)
{
    getResult()->setSRAM("192KB");
}

  在建造者模式的结构中还引入了一个指挥者类 Director，该类主要有两个作用：一方面它隔离了客户与创建过程；另一方面它控制产品的创建过程，包括某个 buildPartX() 方法是否被调用，以及多个 buildPartX() 方法调用的先后次序等。指挥者针对抽象建造者编程，客户端只需要知道具体建造者的类型，即可通过指挥者类调用建造者的相关方法，返回一个完整的产品对象。

// 指挥者
class Director
{
private:
    Builder * builder;

public:
    Director(void);
    Director(Builder * builder);

    void setBuilder(Builder * builder);
    SingleChip * construct(void);
};

Director::Director(void) {};
Director::Director(Builder * builder) : builder(builder) {}

void Director::setBuilder(Builder * builder)
{
    this->builder = builder;
}

// 组装产品
SingleChip * Director::construct(void)
{
    builder->buildCPU();
    builder->buildFLASH();
    builder->buildSRAM();
    return builder->getResult();
}

  main() 函数：

#include <iostream>

int main(void)
{
    STM32Builder stm32Builder;
    Director director(&stm32Builder);
    SingleChip * stm32 = director.construct();

    std::cout << "CPU: " << stm32->getCPU() << std::endl;
    std::cout << "FLASH: " << stm32->getFLASH() << std::endl;
    std::cout << "SRAM: " << stm32->getSRAM() << std::endl;

    delete stm32;

    return 0;
}

三、建造者模式的总结

  建造者模式与抽象工厂模式有点相似，但是建造者模式返回一个完整的复杂产品，而抽象工厂模式返回一系列相关的产品。在抽象工厂模式中，客户端通过选择具体工厂来生成所需对象，而在建造者模式中，客户端通过指定具体建造者类型并指导 Director 类如何去生成对象，侧重于一步一步地构造一个复杂对象，然后将结果返回。

  在建造者模式中，客户端只需实例化指挥者类，指挥者类针对抽象建造者编程。客户端根据需要传入具体的建造者类型，指挥者将指导具体建造者一步一步地构造一个完整的产品（逐步调用具体建造者的 buildX() 方法），相同的构造过程可以创建完全不同的产品。

3.1、建造者模式的优点

• 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。
• 每个具体建造者都相对独立，而与其他具体建造者无关。因此，可以很方便地替换具体建造者或增加新的具体建造者，用户使用不同的具体建造者即可得到不同的产品对象。由于指挥者类针对抽象建造者编程，增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码，系统扩展方便，符合开闭原则。
• 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。

3.2、建造者模式的缺点

• 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，例如很多组成部分都不相同，就不适合使用建造者模式，因此其使用范围受到一定的限制。
• 如果产品的内部结构复杂且多变，可能会需要定义很多具体建造者类来实现这种变化，这就导致系统变得很庞大，增加系统的理解难度和运行成本。

3.3、建造者模式的适用场景

• 需要生成的产品对象有复杂的内部结构，这些产品对象通常包含多个成员变量。
• 需要生成的产品对象的属性相互依赖，需要指定其生成顺序。
• 对象的创建过程独立于创建该对象的类。在建造者模式中通过引入指挥者类，将创建过程封装在指挥者类中，而不在建造者类和客户类中。
• 隔离复杂对象的创建和使用，并使得相同的创建过程可以创建不同的产品。