Java设计模式之创建型模式(四)：建造者(生成器)模式

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一、基本介绍

建造者模式（Build Pattern）又称生成器模式，该模式封装一个产品的构造过程，一步一步地创建出一个复杂的对象，它允许用户通过指定复杂对象的类型和具体内容来构建对象，不需要知道内部的构建细节。

下面是建造者的原理UML类图：
建造者模式的四个角色说明：

Product（产品对象）：一个具体的产品对象
Builder（抽象建造者）：用于创建一个产品对象的各个部件指定的接口/抽象类
ConcreteBuilder（具体建造者）：实现接口，构建和装配产品的各个部件。
Director（指挥者）：用于创建一个复杂的对象，它主要有两个作用：隔离客户与对象的生产过程和负责控制产品对象的生产过程。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。

二、使用

下面应用建造者模式来解决一个实际案例

1.场景

假设你在广州做一个导游，现在你需要为游客制定多个“羊城一日游”的行程安排的计划，其中每个计划去的景点可能不太一样，另外如果是外地的游客则需要提供旅馆住宿。
所以需要一个弹性的数据结构，代表客人的规划以及所有的变化。要创建这样的计划，就需要使用建造者模式来实现创建复杂的结构的同时，又不会和创建它的步骤混在一起。

2.UML类图设计

其中PlanA不包含住宿，PlanB包含住宿

3.代码实现

Plan类，担当产品对象的角色

public class Plan {
	public String morningPlan;
	public String afternoonPlan;
	public String nightPlan;
	public String sleepPlan;
//省略getter和setter方法
//省略toString方法

Director类，担当指挥者的角色

public class Director {
	AbstractBuilder planBuilder;

	public Director(AbstractBuilder planBuilder) {
		// TODO Auto-generated constructor stub
		this.planBuilder = planBuilder;
	}

	public void setPlanBuilder(AbstractBuilder planBuilder) {
		this.planBuilder = planBuilder;
	}

	public Plan constructPlan() {
		System.out.println("计划制定：");
		planBuilder.arrangeMorning();
		planBuilder.arrangeAfternoon();
		planBuilder.arrangeNight();
		planBuilder.arrangeSleep();
		return planBuilder.getPlan();
	}
}

AbstractPlanBuilder类，担当抽象建造者的角色

public abstract class AbstractBuilder {
	Plan plan = new Plan();

	public abstract void arrangeMorning();

	public abstract void arrangeAfternoon();

	public abstract void arrangeNight();

	public abstract void arrangeSleep();

	public Plan getPlan() {
		return plan;
	}
}

PlanABuilder，PlanBBuilder都担当具体建造者的角色

public class PlanABuilder extends AbstractBuilder {

	@Override
	public void arrangeMorning() {
		// TODO Auto-generated method stub
		plan.setMorningPlan("出发时间：8:00,目的地：白云山");
		System.out.println("已制定好早上的计划");
	}

	@Override
	public void arrangeAfternoon() {
		// TODO Auto-generated method stub
		plan.setAfternoonPlan("出发时间：12：00，目的地：长隆欢乐世界");
		System.out.println("已制定好下午的计划");
	}

	@Override
	public void arrangeNight() {
		// TODO Auto-generated method stub
		plan.setNightPlan("出发时间： 20：00 ，目的地：广州塔");
		System.out.println("已制定好晚上的计划");
	}
	@Override
	public void arrangeSleep() {
		System.out.println("该计划不安排住宿");
	}
}

public class PlanBBuilder extends AbstractBuilder {

	@Override
	public void arrangeMorning() {
		// TODO Auto-generated method stub
		plan.setMorningPlan("出发时间：8:15,目的地：大夫山");
		System.out.println("已制定好早上的计划");
	}

	@Override
	public void arrangeAfternoon() {
		// TODO Auto-generated method stub
		plan.setAfternoonPlan("出发时间：11：30，目的地：长隆欢乐世界");
		System.out.println("已制定好下午的计划");
	}

	@Override
	public void arrangeNight() {
		// TODO Auto-generated method stub
		plan.setNightPlan("出发时间： 20：00 ，目的地：广州塔");
		System.out.println("已制定好晚上的计划");
	}

	@Override
	public void arrangeSleep() {
		System.out.println("晚上住宿在白天鹅宾馆");
	}

}

Client类作为客户类，只需调用Director的consructPlan即可完成计划对象的创建

public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		Director director = new Director(new PlanABuilder());
		Plan p1 = director.constructPlan();
		System.out.println("计划详情:" + p1);
		director.setPlanBuilder(new PlanBBuilder());
		Plan p2 = director.constructPlan();
		System.out.println("计划详情:" + p2);
	}
}

程序运行结果：

三、典型应用

java.lang.StringBuilder中的建造者模式
StringBuilder类的继承和实现关系，如图：

Appendable接口定义了三个append方法，其担当抽象建造者的角色，定义了抽象方法。

public interface Appendable {

    Appendable append(CharSequence csq) throws IOException;
    
    Appendable append(CharSequence csq, int start, int end) throws IOException;
    
    Appendable append(char c) throws IOException;
}

AbstractStringBuilder实现了Appendable接口的三个方法，AbstractStringBuilder类担当了具体建造者的角色，当由于其是抽象类，所以不能实例化。

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {
//省略
    @Override
    public AbstractStringBuilder append(CharSequence s) {
        if (s == null)
            return appendNull();
        if (s instanceof String)
            return this.append((String)s);
        if (s instanceof AbstractStringBuilder)
            return this.append((AbstractStringBuilder)s);

        return this.append(s, 0, s.length());
    }
      @Override
    public AbstractStringBuilder append(CharSequence s, int start, int end) {
        if (s == null)
            s = "null";
        if ((start < 0) || (start > end) || (end > s.length()))
            throw new IndexOutOfBoundsException(
                "start " + start + ", end " + end + ", s.length() "
                + s.length());
        int len = end - start;
        ensureCapacityInternal(count + len);
        for (int i = start, j = count; i < end; i++, j++)
            value[j] = s.charAt(i);
        count += len;
        return this;
    }

    @Override
    public AbstractStringBuilder append(char c) {
        ensureCapacityInternal(count + 1);
        value[count++] = c;
        return this;
    }
    //省略
  }

StringBuilder即担当了指挥者角色，同时担当了具体的建造者的角色，还是产品对象。其建造方法是由其父类AbstractStringBuilder来实现，下面三个重载的append方法都是建造方法，只不过比较简单，只有一个方法调用。

public final class StringBuilder
    extends AbstractStringBuilder
    implements java.io.Serializable, CharSequence
{
//省略
  @Override
    public StringBuilder append(CharSequence s) {
        super.append(s);
        return this;
    }
    @Override
    public StringBuilder append(CharSequence s, int start, int end) {
        super.append(s, start, end);
        return this;
    }
    
    @Override
    public StringBuilder append(char c) {
        super.append(c);
        return this;
    }
   }
   //省略

四、总结

建造者模式的优点：

在建造者模式中，向客户端隐藏产品内部的表现，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：

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。

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。