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【23种设计模式】建造者模式【⭐⭐⭐】

news 文章来源：https://blog.csdn.net/weixin_43715214/article/details/132844000 2024/11/1 12:36:30

个人主页：金鳞踏雨

个人简介：大家好，我是金鳞，一个初出茅庐的Java小白

目前状况：22届普通本科毕业生，几经波折了，现在任职于一家国内大型知名日化公司，从事Java开发工作

我的博客：这里是CSDN，是我学习技术，总结知识的地方。希望和各位大佬交流，共同进步 ~

比较简单，但是很经常用！

个人感悟：

为什么会有这种设计模式？往往是因为语言或者框架本身的缺陷而导致的。这个语言或者框架本身就不支持这种开发形式，我们必须使用一种开发"套路"来解决这个问题！

那为什么有一些设计模式我们在开发中很少见呢？因为本身一些框架就提供了这些功能！我们使用起来就很简单，所以就没有那么重要了！

一、原理

Builder 模式，中文翻译为建造者模式或者构建者模式，也有人叫它生成器模式。

实际上，建造者模式的原理和代码实现非常简单，掌握起来并不难，难点在于应用场景。比如，你有没有考虑过这样几个问题：直接使用构造函数或者配合 set 方法就能创建对象，为什么还需要建造者模式来创建呢？建造者模式和工厂模式都可以创建对象，那它们两个的区别在哪里呢，话不多说，我们直接来学习：

角色

产品（Product）：表示将要被构建的复杂对象。
抽象创建者（Abstract Builder）：定义构建产品的接口，通常包含创建和获取产品的方法。
具体创建者（Concrete Builder）：实现抽象创建者定义的接口，为产品的各个部分提供具体实现。
指挥者（Director）：负责调用具体创建者来构建产品的各个部分，控制构建过程。

示例代码

我们考虑一个文档编辑器的例子。假设我们需要创建一个复杂的HTML文档，它包含了标题、段落和图像等元素。

1、产品（Product）类 - HTML文档（HtmlDocument）：

public class HtmlDocument {private String header = "";private String body = "";private String footer = "";public void addHeader(String header) {this.header = header;}public void addBody(String body) {this.body = body;}public void addFooter(String footer) {this.footer = footer;}@Overridepublic String toString() {return "<html><head>" + header + "</head><body>" + body + "</body><footer>" + footer + "</footer></html>";}
}

2、抽象创建者（Abstract Builder）类 - HtmlDocumentBuilder：

public abstract class HtmlDocumentBuilder {protected HtmlDocument document;public HtmlDocument getDocument() {return document;}public void createNewHtmlDocument() {document = new HtmlDocument();}public abstract void buildHeader();public abstract void buildBody();public abstract void buildFooter();
}

3、具体创建者（Concrete Builder）类 - ArticleHtmlDocumentBuilder：

// 实现抽象
public class ArticleHtmlDocumentBuilder extends HtmlDocumentBuilder {@Overridepublic void buildHeader() {document.addHeader("Article Header");}@Overridepublic void buildBody() {document.addBody("Article Body");}@Overridepublic void buildFooter() {document.addFooter("Article Footer");}
}

4、指挥者（Director）类 - HtmlDirector：

public class HtmlDirector {private HtmlDocumentBuilder builder;public HtmlDirector(HtmlDocumentBuilder builder) {this.builder = builder;}public void constructDocument() {builder.createNewHtmlDocument();builder.buildHeader();builder.buildBody();builder.buildFooter();}public HtmlDocument getDocument() {return builder.getDocument();}
}

现在我们可以使用创建者设计模式来构建一个HTML文档对象：

public class Main {public static void main(String[] args) {HtmlDocumentBuilder articleBuilder = new ArticleHtmlDocumentBuilder();HtmlDirector director = new HtmlDirector(articleBuilder);director.constructDocument();HtmlDocument document = director.getDocument();System.out.println("Constructed HTML Document: \n" + document);}
}

在这个例子中，我们创建了一个表示HTML文档的产品类（HtmlDocument），一个抽象的创建者类（HtmlDocumentBuilder），一个具体的创建者类（ArticleHtmlDocumentBuilder）和一个指挥者类（HtmlDirector）。当我们需要创建一个新的HTML文档对象时，我们可以使用指挥者类来控制构建过程，从而实现了将构建过程与表示过程的分离。

以上是一个创建者设计模式的标准写法，事实，我们在工作中往往不会写的这么复杂，为了创建一个对象，我们创建了很多辅助的类，总觉得不太合适，在这个案例中，我们可以使用内部类来简化代码，以下是修改后的代码（甚至我们还移除了抽象层）

public class HtmlDocument {private String header = "";private String body = "";private String footer = "";public void addHeader(String header) {this.header = header;}public void addBody(String body) {this.body = body;}public void addFooter(String footer) {this.footer = footer;}@Overridepublic String toString() {return "<html><head>" + header + "</head><body>" + body + "</body><footer>" + footer + "</footer></html>";}public static class Builder {protected HtmlDocument document;public Builder() {document = new HtmlDocument();}public Builder addHeader(String header) {document.addHeader(header);return this;}public Builder addBody(String body) {document.addBody(body);return this;}public Builder addFooter(String footer) {document.addFooter(footer);return this;}public HtmlDocument build() {return document;}}
}

创建一个HTML文档对象

public class Main {public static void main(String[] args) {HtmlDocument.Builder builder = new HtmlDocument.Builder();HtmlDocument document = builder.addHeader("This is the header").addBody("This is the body").addFooter("This is the footer").build();System.out.println("Constructed HTML Document: \n" + document);}
}

将创建者类（Builder）作为HTML文档类（HtmlDocument）的内部类。

这样做可以让代码更加紧凑。此外，我们使用了一种流式接口，使得在客户端代码中创建HTML文档对象更加简洁。

二、为什么需要建造者模式

1. 根据复杂的配置项进行定制化构建

首先，我们先看一个mybaits中经典的案例，这个案例中使用了装饰器和创建者设计模式：

public class CacheBuilder {private final String id;private Class<? extends Cache> implementation;private final List<Class<? extends Cache>> decorators;private Integer size;private Long clearInterval;private boolean readWrite;private Properties properties;private boolean blocking;public CacheBuilder(String id) {this.id = id;this.decorators = new ArrayList<>();}public CacheBuilder size(Integer size) {this.size = size;return this;}public CacheBuilder clearInterval(Long clearInterval) {this.clearInterval = clearInterval;return this;}public CacheBuilder blocking(boolean blocking) {this.blocking = blocking;return this;}public CacheBuilder properties(Properties properties) {this.properties = properties;return this;}// 构建public Cache build() {// 使用了装饰器模式，添加 LruCachesetDefaultImplementations();Cache cache = newBaseCacheInstance(implementation, id);setCacheProperties(cache);// 根据配置的装饰器对原有缓存进行增强，如增加淘汰策略等if (PerpetualCache.class.equals(cache.getClass())) {// 遍历装饰器，使其与目标对象绑定for (Class<? extends Cache> decorator : decorators) {cache = newCacheDecoratorInstance(decorator, cache);setCacheProperties(cache);}cache = setStandardDecorators(cache);} else if (!LoggingCache.class.isAssignableFrom(cache.getClass())) {cache = new LoggingCache(cache);}return cache;}
}

我们总结这个案例中的几个特点：

1、参数有必填项id，有很多可选填的内容；通常必选项id通过构造器传入，可选项通过方法传递。

2、真正的构建过程需要调用build()方法，构建时需要根据已配置的成员变量的内容选择合适的装饰器，对目标cache进行增强。

2. 实现不可变对象

创建者设计模式（Builder Design Pattern）可以实现不可变对象，即一旦创建完成，对象的状态就不能改变。这有助于保证对象的线程安全和数据完整性。

public final class ImmutablePerson {private final String name;private final int age;private final String address;private ImmutablePerson(Builder builder) {this.name = builder.name;this.age = builder.age;this.address = builder.address;}public String getName() {return name;}public int getAge() {return age;}public String getAddress() {return address;}public static class Builder {private String name;private int age;private String address;public Builder() {}public Builder setName(String name) {this.name = name;return this;}public Builder setAge(int age) {this.age = age;return this;}public Builder setAddress(String address) {this.address = address;return this;}public ImmutablePerson build() {return new ImmutablePerson(this);}}
}

在这个例子中，ImmutablePerson 类具有三个属性：name、age 和 address。这些属性都是 final 的，一旦设置就不能更改。

ImmutablePerson 的构造函数是私有的，外部无法直接创建该类的实例。要创建一个 ImmutablePerson 实例，需要使用内部的 Builder 类。通过连续调用 Builder 类的方法，我们可以为 ImmutablePerson 设置属性。最后，通过调用 build() 方法，我们创建一个具有指定属性的不可变 ImmutablePerson 实例。

实际上，使用建造者模式创建对象，还能避免对象存在无效状态。我再举个例子解释一下。比如我们定义了一个长方形类，如果不使用建造者模式，采用先创建后 set 的方式，那就会导致在第一个 set 之后，对象处于无效状态。

Rectangle r = new Rectange(); // r is invalid
r.setWidth(2); // r is invalid
r.setHeight(3); // r is valid

为了避免这种无效状态的存在，我们就需要使用构造函数一次性初始化好所有的成员变量。如果构造函数参数过多，我们就需要考虑使用建造者模式，先设置建造者的变量，然后再一次性地创建对象，让对象一直处于有效状态。

实际上，如果我们并不是很关心对象是否有短暂的无效状态，也不是太在意对象是否是可变的。比如，对象只是用来映射数据库读出来的数据，那我们直接暴露 set() 方法来设置类的成员变量值是完全没问题的。而且，使用建造者模式来构建对象，代码实际上是有点重复的。

小结

建造者模式是用来创建一种类型的复杂对象，通过设置不同的可选参数，“定制化”地创建不同的对象。

我们把类的必填属性放到构造函数中，强制创建对象的时候就设置。

如果必填的属性有很多，把这些必填属性都放到构造函数中设置，那构造函数就又会出现参数列表很长的问题。
如果我们把必填属性通过 set() 方法设置，那校验这些必填属性是否已经填写的逻辑就无处安放了。
如果类的属性之间有一定的依赖关系或者约束条件，我们继续使用构造函数配合 set() 方法的设计思路，那这些依赖关系或约束条件的校验逻辑就无处安放了。
如果我们希望创建不可变对象，也就是说，对象在创建好之后，就不能再修改内部的属性值，要实现这个功能，我们就不能在类中暴露 set() 方法。构造函数配合 set() 方法来设置属性值的方式就不适用了。

建造者与工厂模式有何区别？

实际上，其实不用非得把工厂模式、建造者模式分得那么清楚，我们需要知道的是，每个模式为什么这么设计，能解决什么问题。只有了解了这些最本质的东西，我们才能不生搬硬套，才能灵活应用，甚至可以混用各种模式创造出新的模式，来解决特定场景的问题。

三、源码应用

创建者设计模式在源码中有广泛的使用常见：

1、JDK中，如StringBuilder和StringBuffer，他们的实现不是完全按照标准的创建者设计模式设计，但也是一样的思想：

这两个类用于构建和修改字符串。它们实现了创建者模式，允许客户端通过方法链来修改字符串。这些类在性能上优于 String 类，因为它们允许在同一个对象上执行多次修改，而不需要每次修改都创建一个新的对象。

StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append("Hello").append(" ").append("World!");
String result = builder.toString();

2、在SSM源码中很多类都使用创建者设计模式，如Spring中的BeanDefinitionBuilder 类，mybatis中的 SqlSessionFactoryBuilder、XMLConfigBuilder、XMLMapperBuilder、XMLStatementBuilder、CacheBuilder等，因为实现都比较简单就不带着大家一个一个看了。

3、使用lombok简单的实现创建者设计模式

Lombok 是一个 Java 库，它可以简化代码，提高开发效率，尤其是在实现模式和生成常用方法（例如 getter、setter、equals、hashCode 和 toString）时。

要使用 Lombok 简单地实现创建者设计模式，可以使用 @Builder 注解。自动生成创建者类和相关方法。

首先，引入 Lombok 库。

<dependencies><dependency><groupId>org.projectlombok</groupId><artifactId>lombok</artifactId><version>1.18.20</version><scope>provided</scope></dependency>
</dependencies>

然后，创建一个使用 Lombok 的创建者设计模式的类：

@Getter
@ToString
@Builder
public class Person {private String name;private int age;private String address;
}

在上面的示例中，我们使用了 @Builder 注解来自动生成创建者类和相关方法。此外，我们还使用了 @Getter 注解来自动生成 getter 方法，以及 @ToString 注解来自动生成 toString 方法。

自动生成的创建者类创建 Person 对象

Person person = Person.builder().name("John Doe").age(30).address("123 Main St").build();

通过 Lombok，可以轻松地实现创建者设计模式，减少样板代码，提高代码可读性。

文章到这里就结束了，如果有什么疑问的地方，可以在评论区指出~

希望能和大佬们一起努力，诸君顶峰相见

再次感谢各位小伙伴儿们的支持！！！