圖說設計模式之建造者模式

1. 模式動機

無論是在現實世界中還是在軟件系統中，都存在一些復雜的對象，它們擁有多個組成部分，如汽車，它包括車輪、方向盤、發送機等各種部件。而對于大多數用戶而言，無須知道這些部件的裝配細節，也幾乎不會使用單獨某個部件，而是使用一輛完整的汽車，可以通過建造者模式對其進行設計與描述，建造者模式可以將部件和其組裝過程分開，一步一步創建一個復雜的對象。用戶只需要指定復雜對象的類型就可以得到該對象，而無須知道其內部的具體構造細節。

在軟件開發中，也存在大量類似汽車一樣的復雜對象，它們擁有一系列成員屬性，這些成員屬性中有些是引用類型的成員對象。而且在這些復雜對象中，還可能存在一些限制條件，如某些屬性沒有賦值則復雜對象不能作為一個完整的產品使用；有些屬性的賦值必須按照某個順序，一個屬性沒有賦值之前，另一個屬性可能無法賦值等。

復雜對象相當于一輛有待建造的汽車，而對象的屬性相當于汽車的部件，建造產品的過程就相當于組合部件的過程。由于組合部件的過程很復雜，因此，這些部件的組合過程往往被“外部化”到一個稱作建造者的對象里，建造者返還給客戶端的是一個已經建造完畢的完整產品對象，而用戶無須關心該對象所包含的屬性以及它們的組裝方式，這就是建造者模式的模式動機。

2. 模式定義

建造者模式(Builder Pattern)：將一個復雜對象的構建與它的表示分離，使得同樣的構建過程可以創建不同的表示。

建造者模式是一步一步創建一個復雜的對象，它允許用戶只通過指定復雜對象的類型和內容就可以構建它們，用戶不需要知道內部的具體構建細節。建造者模式屬于對象創建型模式。根據中文翻譯的不同，建造者模式又可以稱為生成器模式。

3. 模式結構

建造者模式包含如下角色：

• Builder：抽象建造者
• ConcreteBuilder：具體建造者
• Director：指揮者
• Product：產品角色

4. 時序圖

5. 代碼分析

#include <iostream> #include "ConcreteBuilder.h" #include "Director.h" #include "Builder.h" #include "Product.h"using namespace std;int main(int argc, char *argv[]) {ConcreteBuilder * builder = new ConcreteBuilder();Director director;director.setBuilder(builder);Product * pd = director.constuct();pd->show();delete builder;delete pd;return 0; } #include "ConcreteBuilder.h"ConcreteBuilder::ConcreteBuilder(){} ConcreteBuilder::~ConcreteBuilder(){}void ConcreteBuilder::buildPartA() {m_prod->setA("A Style "); //不同的建造者，可以實現不同產品的建造 } void ConcreteBuilder::buildPartB() {m_prod->setB("B Style "); } void ConcreteBuilder::buildPartC() {m_prod->setC("C style "); } #include "Director.h"Director::Director(){ }Director::~Director(){ }Product* Director::constuct(){m_pbuilder->buildPartA();m_pbuilder->buildPartB();m_pbuilder->buildPartC();return m_pbuilder->getResult(); }void Director::setBuilder(Builder* buider){m_pbuilder = buider; }

運行結果：

6. 模式分析

抽象建造者類中定義了產品的創建方法和返回方法;

建造者模式的結構中還引入了一個指揮者類Director，該類的作用主要有兩個：一方面它隔離了客戶與生產過程；另一方面它負責控制產品的生成過程。指揮者針對抽象建造者編程，客戶端只需要知道具體建造者的類型，即可通過指揮者類調用建造者的相關方法，返回一個完整的產品對象

在客戶端代碼中，無須關心產品對象的具體組裝過程，只需確定具體建造者的類型即可，建造者模式將復雜對象的構建與對象的表現分離開來，這樣使得同樣的構建過程可以創建出不同的表現。

7. 實例

實例一： KFC套餐

建造者模式可以用于描述KFC如何創建套餐：套餐是一個復雜對象，它一般包含主食（如漢堡、雞肉卷等）和飲料（如果汁、 可樂等）等組成部分，不同的套餐有不同的組成部分，而KFC的服務員可以根據顧客的要求，一步一步裝配這些組成部分，構造一份完整的套餐，然后返回給顧客。

實例二

#include <iostream> using namespace std;#include "string"class House { public:void setDoor(string door){this->m_door = door;}void setWall(string wall){this->m_wall = wall;}void setWindow(string window){this->m_window = window;}//--string getDoor( ){cout << m_door << endl;return this->m_door ;}string getWall(){cout << m_wall << endl;return this->m_wall;}string getWindow(){cout << m_window << endl;return m_window;}private:string m_door;string m_wall;string m_window; };class Builder { public:virtual void buildWall() = 0;virtual void buildDoor() = 0;virtual void buildWindow() = 0;virtual House* getHouse() = 0; };class FlatBuilder : public Builder { public:FlatBuilder(){m_house = new House;}virtual void buildWall(){m_house->setWall(" flat wall");}virtual void buildDoor(){m_house->setDoor("flat door");}virtual void buildWindow(){m_house->setWindow("flat window");}virtual House* getHouse(){return m_house;} private:House *m_house; };class VillaBuilder : public Builder { public:VillaBuilder(){m_house = new House;}virtual void buildWall(){m_house->setWall(" villa wall");}virtual void buildDoor(){m_house->setDoor("villa door");}virtual void buildWindow(){m_house->setWindow("villa window");}virtual House* getHouse(){return m_house;} private:House *m_house; };class Director { public:Director( Builder * build){m_build = build;}void Construct(){m_build->buildWall();m_build->buildWindow();m_build->buildDoor();} private:Builder * m_build; };int main() {House *house = NULL;Builder *builder = NULL;Director *director = NULL;builder = new VillaBuilder;director = new Director(builder);director->Construct(); house = builder->getHouse();house->getWindow();house->getDoor();delete house;delete builder;builder = new FlatBuilder;director = new Director(builder);director->Construct(); house = builder->getHouse();house->getWindow();house->getDoor();delete house;delete builder;delete director;return 0; }

8. 優點

• 在建造者模式中， 客戶端不必知道產品內部組成的細節，將產品本身與產品的創建過程解耦，使得相同的創建過程可以創建不同的產品對象。
• 每一個具體建造者都相對獨立，而與其他的具體建造者無關，因此可以很方便地替換具體建造者或增加新的具體建造者， 用戶使用不同的具體建造者即可得到不同的產品對象 。
• 可以更加精細地控制產品的創建過程 。將復雜產品的創建步驟分解在不同的方法中，使得創建過程更加清晰，也更方便使用程序來控制創建過程。
• 增加新的具體建造者無須修改原有類庫的代碼，指揮者類針對抽象建造者類編程，系統擴展方便，符合“開閉原則”。

9. 缺點

• 建造者模式所創建的產品一般具有較多的共同點，其組成部分相似，如果產品之間的差異性很大，則不適合使用建造者模式，因此其使用范圍受到一定的限制。
• 如果產品的內部變化復雜，可能會導致需要定義很多具體建造者類來實現這種變化，導致系統變得很龐大。

10. 適用環境

在以下情況下可以使用建造者模式：

• 需要生成的產品對象有復雜的內部結構，這些產品對象通常包含多個成員屬性。
• 需要生成的產品對象的屬性相互依賴，需要指定其生成順序。
• 對象的創建過程獨立于創建該對象的類。在建造者模式中引入了指揮者類，將創建過程封裝在指揮者類中，而不在建造者類中。
• 隔離復雜對象的創建和使用，并使得相同的創建過程可以創建不同的產品。

11. 模式應用

在很多游戲軟件中，地圖包括天空、地面、背景等組成部分，人物角色包括人體、服裝、裝備等組成部分，可以使用建造者模式對其進行設計，通過不同的具體建造者創建不同類型的地圖或人物。

12. 模式擴展

建造者模式的簡化:

• 省略抽象建造者角色：如果系統中只需要一個具體建造者的話，可以省略掉抽象建造者。
• 省略指揮者角色：在具體建造者只有一個的情況下，如果抽象建造者角色已經被省略掉，那么還可以省略指揮者角色，讓

Builder角色扮演指揮者與建造者雙重角色。

建造者模式與抽象工廠模式的比較:

• 與抽象工廠模式相比， 建造者模式返回一個組裝好的完整產品 ，而 抽象工廠模式返回一系列相關的產品，這些產品位于不同的產品等級結構，構成了一個產品族。
• 在抽象工廠模式中，客戶端實例化工廠類，然后調用工廠方法獲取所需產品對象，而在建造者模式中，客戶端可以不直接調用建造者的相關方法，而是通過指揮者類來指導如何生成對象，包括對象的組裝過程和建造步驟，它側重于一步步構造一個復雜對象，返回一個完整的對象。
• 如果將抽象工廠模式看成 汽車配件生產工廠 ，生產一個產品族的產品，那么建造者模式就是一個 汽車組裝工廠 ，通過對部件的組裝可以返回一輛完整的汽車。

13. 總結

• 建造者模式將一個復雜對象的構建與它的表示分離，使得同樣的構建過程可以創建不同的表示。建造者模式是一步一步創建一個復雜的對象，它允許用戶只通過指定復雜對象的類型和內容就可以構建它們，用戶不需要知道內部的具體構建細節。建造者模式屬于對象創建型模式。
• 建造者模式包含如下四個角色：抽象建造者為創建一個產品對象的各個部件指定抽象接口；具體建造者實現了抽象建造者接口，實現各個部件的構造和裝配方法，定義并明確它所創建的復雜對象，也可以提供一個方法返回創建好的復雜產品對象；產品角色是被構建的復雜對象，包含多個組成部件；指揮者負責安排復雜對象的建造次序，指揮者與抽象建造者之間存在關聯關系，可以在其construct()建造方法中調用建造者對象的部件構造與裝配方法，完成復雜對象的建造
• 在建造者模式的結構中引入了一個指揮者類，該類的作用主要有兩個：一方面它隔離了客戶與生產過程；另一方面它負責控制產品的生成過程。指揮者針對抽象建造者編程，客戶端只需要知道具體建造者的類型，即可通過指揮者類調用建造者的相關方法，返回一個完整的產品對象。
• 建造者模式的主要優點在于客戶端不必知道產品內部組成的細節，將產品本身與產品的創建過程解耦，使得相同的創建過程可以創建不同的產品對象，每一個具體建造者都相對獨立，而與其他的具體建造者無關，因此可以很方便地替換具體建造者或增加新的具體建造者，符合“開閉原則”，還可以更加精細地控制產品的創建過程；其主要缺點在于由于建造者模式所創建的產品一般具有較多的共同點，其組成部分相似，因此其使用范圍受到一定的限制，如果產品的內部變化復雜，可能會導致需要定義很多具體建造者類來實現這種變化，導致系統變得很龐大。
• 建造者模式適用情況包括：需要生成的產品對象有復雜的內部結構，這些產品對象通常包含多個成員屬性；需要生成的產品對象的屬性相互依賴，需要指定其生成順序；對象的創建過程獨立于創建該對象的類；隔離復雜對象的創建和使用，并使得相同的創建過程可以創建不同類型的產品。

總結

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