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复杂对象的组装与创建——建造者模式 Builder Pattern

建造者模式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, 客户端无须知道复杂对象的内部组成部分与装配方式,只需要知道所需建造者的类型即可。 它关注如何一步一步创建一个的复杂对象,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。

建造者模式(Builder Pattern):将一个复杂对象的构建与它的表示分离, 使得同样的构建过程可以创建不同的表示。建造者模式是一种对象创建型模式。

建造者模式一步一步创建一个复杂的对象,它允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们, 用户不需要知道内部的具体构建细节。

在建造者模式结构图中包含如下几个角色:

  • Builder(抽象建造者):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(),它们用于创建复杂对象的各个部件;另一类方法是getResult(),它们用于返回复杂对象。 Builder既可以是抽象类,也可以是接口。
  • ConcreteBuilder(具体建造者):它实现了Builder接口,实现各个部件的具体构造和装配方法,定义并明确它所创建的复杂对象, 也可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象。
  • Product(产品角色):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它的装配过程。
  • Director(指挥者):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。

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, 侧重于一步步构造一个复杂对象,然后将结果返回。

如果将抽象工厂模式看成一个汽车配件生产厂,生成不同类型的汽车配件, 那么建造者模式就是一个汽车组装厂,通过对配件进行组装返回一辆完整的汽车。

v0 使用建造者模式来实现游戏角色的创建

  • ActorController充当指挥者

    指挥者类ActorController定义了construct()方法,该方法拥有一个抽象建造者ActorBuilder类型 的参数,在该方法内部实现了游戏角色对象的逐步构建

  • ActorBuilder充当抽象建造者
  • HeroBuilder, AngelBuilder和DevilBuilder充当具体建造者
  • Actor充当复杂产品

v1 使用建造者模式来实现游戏角色的创建: 省略Director

在有些情况下,为了简化系统结构,可以将Director和抽象建造者Builder进行合并, 在Builder中提供逐步构建复杂产品对象的construct()方法。由于Builder类通常为抽象类, 因此可以将construct()方法定义为静态(static)方法。

v2 使用建造者模式来实现游戏角色的创建: 钩子方法的引入

建造者模式除了逐步构建一个复杂产品对象外,还可以通过Director类来更加精细地控制产品的创建过程, 例如增加一类称之为钩子方法(HookMethod)的特殊方法来控制是否对某个buildPartX()的调用。

钩子方法的返回类型通常为boolean类型,方法名一般为isXXX(),钩子方法定义在抽象建造者类中。

例如我们可以在游戏角色的抽象建造者类ActorBuilder中定义一个方法isBareheaded(), 用于判断某个角色是否为“光头(Bareheaded)”,在ActorBuilder为之提供一个默认实现,其返回值为false

如果某个角色无须构建头发部件,例如“恶魔(Devil)”,则对应的具体建造器DevilBuilder将覆盖isBareheaded()方法,并将返回值改为true

总结

  1. 主要优点
    1. 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。
    2. 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。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”
    3. 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。
  2. 主要缺点
    1. 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,不适合使用建造者模式,因此其使用范围受到一定的限制。
    2. 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,增加系统的理解难度和运行成本。
  3. 适用场景
    1. 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。
    2. 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。
    3. 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,而不在建造者类和客户类中。
    4. 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。

使用

  • java.lang.StringBuilder#append()
  • java.lang.StringBuffer#append()
  • java.nio.ByteBuffer#put() (CharBuffer, ShortBuffer, IntBuffer,LongBuffer, FloatBuffer 和DoubleBuffer与之类似)
  • javax.swing.GroupLayout.Group#addComponent()
  • java.sql.PreparedStatement
  • java.lang.Appendable的所有实现类