设计模式笔记17:建造者模式(Builder Pattern)
一、建造者模式的内容
对象性质的建造
有些情况下,一个对象会有一些重要的性质,在它们没有恰当的值之前,对象不能作为一个完整的产品使用。比如,一个电子邮件有发件人地址、收件人地址、主题、内容、附录等部分,而在最起码的收件人地址未被赋值之前,这个电子邮件不能发出。
有些情况下,一个对象的一些性质必须按照某个顺序赋值才有意义。在某个性质没有赋值之前,另一个性质则无法赋值。这些情况使得性质本身的建造涉及到复杂的商业逻辑。
这时候,此对象相当于一个有待建造的产品,而对象的这些性质相当于产品的零件,建造产品的过程就是组合零件的过程。由于组合零件的过程很复杂,因此,这些"零件"的组合过程往往被"外部化"到一个称作建造者的对象里,建造者返还给客户端的是一个全部零件都建造完毕的产品对象。
无论是在现实世界中还是在软件系统中,都存在一些复杂的对象,它们拥有多个组成部分,如汽车,它包括车轮、方向盘、发送机等各种部件。而对于大多数用户而言,无须知道这些部件的装配细节,也几乎不会使用单独某个部件,而是使用一辆完整的汽车,可以通过建造者模式对其进行设计与描述,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。
在软件开发中,也存在大量类似汽车一样的复杂对象,它们拥有一系列成员属性,这些成员属性中有些是引用类型的成员对象。而且在这些复杂对象中,还可能存在一些限制条件,如某些属性没有赋值则复杂对象不能作为一个完整的产品使用;有些属性的赋值必须按照某个顺序,一个属性没有赋值之前,另一个属性可能无法赋值等。
复杂对象相当于一辆有待建造的汽车,而对象的属性相当于汽车的部件,建造产品的过程就相当于组合部件的过程。由于组合部件的过程很复杂,因此,这些部件的组合过程往往被“外部化”到一个称作建造者的对象里,建造者返还给客户端的是一个已经建造完毕的完整产品对象,而用户无须关心该对象所包含的属性以及它们的组装方式,这就是建造者模式的模式动机。
命名的考虑
之所以使用"建造者"而没有用"生成器"就是因为用零件生产产品,"建造"更为合适,"创建"或"生成"不太恰当。
二、建造者模式的结构
建造者(Builder)角色:给出一个抽象接口,以规范产品对象的各个组成成分的建造。一般而言,此接口独立于应用程序的商业逻辑。模式中直接创建产品对象的是具体建造者(ConcreteBuilder)角色。具体建造者类必须实现这个接口所要求的方法:一个是建造方法,另一个是结果返还方法。
具体建造者(Concrete Builder)角色:担任这个角色的是于应用程序紧密相关的类,它们在应用程序调用下创建产品实例。这个角色主要完成的任务包括:
- 实现Builder角色提供的接口,一步一步完成创建产品实例的过程。
- 在建造过程完成后,提供产品的实例。
指导者(Director)角色:担任这个角色的类调用具体建造者角色以创建产品对象。导演者并没有产品类的具体知识,真正拥有产品类的具体知识的是具体建造者对象。
产品(Product)角色:产品便是建造中的复杂对象。
指导者角色是于客户端打交道的角色。导演者角色将客户端创建产品的请求划分为对各个零件的建造请求,再将这些请求委派给具体建造者角色。具体建造者角色是做具体建造工作的,但却不为客户端所知。
三、建造者模式示例代码
public class Meal { //food和drink是部件 private String food; private String drink; public void setFood(String food) { this.food = food; } public void setDrink(String drink) { this.drink = drink; } public String getFood() { return (this.food); } public String getDrink() { return (this.drink); } }
public abstract class MealBuilder { protected Meal meal=new Meal(); public abstract void buildFood(); public abstract void buildDrink(); public Meal getMeal() { return meal; } }
public class SubMealBuilderA extends MealBuilder { public void buildFood() { meal.setFood("一个鸡腿堡"); } public void buildDrink() { meal.setDrink("一杯可乐"); } }
public class SubMealBuilderB extends MealBuilder { public void buildFood() { meal.setFood("一个鸡肉卷"); } public void buildDrink() { meal.setDrink("一杯果汁"); } }
public class KFCWaiter { private MealBuilder mb; public void setMealBuilder(MealBuilder mb) { this.mb=mb; } public Meal construct() { mb.buildFood(); mb.buildDrink(); return mb.getMeal(); } }
<?xml version="1.0"?> <config> <className>SubMealBuilderB</className> </config>
import javax.xml.parsers.*; import org.w3c.dom.*; import org.xml.sax.SAXException; import java.io.*; public class XMLUtil { //该方法用于从XML配置文件中提取具体类类名,并返回一个实例对象 public static Object getBean() { try { //创建文档对象 DocumentBuilderFactory dFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance(); DocumentBuilder builder = dFactory.newDocumentBuilder(); Document doc; doc = builder.parse(new File("config.xml")); //获取包含类名的文本节点 NodeList nl = doc.getElementsByTagName("className"); Node classNode=nl.item(0).getFirstChild(); String cName=classNode.getNodeValue(); //通过类名生成实例对象并将其返回 Class c=Class.forName(cName); Object obj=c.newInstance(); return obj; } catch(Exception e) { e.printStackTrace(); return null; } } }
public class Client { public static void main(String args[]) { //动态确定套餐种类 MealBuilder mb=(MealBuilder)XMLUtil.getBean(); //服务员是指挥者 KFCWaiter waiter=new KFCWaiter(); //服务员准备套餐 waiter.setMealBuilder(mb); //客户获得套餐 Meal meal=waiter.construct(); System.out.println("套餐组成:"); System.out.println(meal.getFood()); System.out.println(meal.getDrink()); } }
四、建造者模式分析
建造者模式的结构中还引入了一个指挥者类Director,该类的作用主要有两个:一方面它隔离了客户与生产过程;另一方面它负责控制产品的生成过程。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。
五、建造者模式的简化
省略抽象建造者角色:如果系统中只需要一个具体建造者的话,可以省略掉抽象建造者。省略指挥者角色:在具体建造者只有一个的情况下,如果抽象建造者角色已经被省略掉,那么还可以省略指挥者角色,让Builder角色扮演指挥者与建造者双重角色。
六、建造者模式与抽象工厂模式的比较
- 与抽象工厂模式相比,建造者模式返回一个组装好的完整产品,而抽象工厂模式返回一系列相关的产品,这些产品位于不同的产品等级结构,构成了一个产品族。
- 在抽象工厂模式中,客户端实例化工厂类,然后调用工厂方法获取所需产品对象,而在建造者模式中,客户端可以不直接调用建造者的相关方法,而是通过指挥者类来指导如何生成对象,包括对象的组装过程和建造步骤,它侧重于一步步构造一个复杂对象,返回一个完整的对象。
- 如果将抽象工厂模式看成汽车配件生产工厂,生产一个产品族的产品,那么建造者模式就是一个汽车组装工厂,通过对部件的组装可以返回一辆完整的汽车。
七、建造者模式优缺点
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。
- 每一个具体建造者都相对独立,而与其他的具体建造者无关,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。
- 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。
- 增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码,指挥者类针对抽象建造者类编程,系统扩展方便,符合“开闭原则”。
建造者模式的缺点如下:
- 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。
- 如果产品的内部变化复杂,可能会导致需要定义很多具体建造者类来实现这种变化,导致系统变得很庞大。
八、建造者模式适用环境
在以下情况下可以使用建造者模式:- 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属性。
- 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。在建造者模式中引入了指挥者类,将创建过程封装在指挥者类中,而不在建造者类中。
- 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。
九、建造者模式应用
(1) JavaMail(一步一步构造一个完整的邮件对象,然后发送)
//由邮件会话对象新建一个邮件消息对象 MimeMessage message=new MimeMessage(session); //设置邮件地址 InternetAddress from=new InternetAddress("sunny@test.com"); message.setFrom(from);//设置发件人 InternetAddress to=new InternetAddress(to_mail); message.setRecipient(Message.RecipientType.TO,to);//设置收件人,并设置其接收类型为TO message.setSubject(to_title);//设置主题 message.setText(to_content);//设置信件内容 message.setSentDate(new Date());//设置发信时间 message.saveChanges();//存储邮件信息 Transport transport=session.getTransport("smtp"); transport.connect("smtp.test.com","test","test"); transport.sendMessage(message,message.getAllRecipients());(2) 在很多游戏软件中,地图包括天空、地面、背景等组成部分,人物角色包括人体、服装、装备等组成部分,可以使用建造者模式对其进行设计,通过不同的具体建造者创建不同类型的地图或人物。
Builder (recognizeable by creational methods returning the instance itself)
-
java.lang.StringBuilder#append()
(unsynchronized) -
java.lang.StringBuffer#append()
(synchronized) -
java.nio.ByteBuffer#put()
(also onCharBuffer
,ShortBuffer
,IntBuffer
,LongBuffer
,FloatBuffer
andDoubleBuffer
) -
javax.swing.GroupLayout.Group#addComponent()
-
All implementations of
java.lang.Appendable
十、参考资料
- http://blog.csdn.net/rocket5725/article/details/4296472
- 《设计模式》刘伟主编清华大学出版社