设计模式 | 建造者模式

1 | 建造者模式概述

无论是在现实世界中还是软件系统中，都存在一些复杂的对象，他们拥有多个组成部分（部件），例如汽车，它包括车轮、方向盘、发动机等多种部件。对于大多数用户而言，并不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。

思考：面对上面这种场景，如何将这些部件组装成一辆完整的汽车并返回给用户，而这种场景恰好就是建造者模式需要解决的问题。建造者模式可以将部件本身和它们的组装过程分开，关注如何一步步创建一个包含多个组成部分的复杂对象，用户只需要指定复杂对象的类型即可得到该对象，而无需知道其内部的具体构建细节。

建造者模式的定义

• 建造者模式：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。
• Builder Pattern: Separate the construction of a complex object from its representation so that the same construction process can create different representations.

建造者模式是一种对象创建型模式，它将客户端与包含多个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。建造者模式关注如何逐步创建一个复杂的对象，不同的建造者定义了不同的创建过程，且具体建造者相互独立，且更换建造者和增加建造者非常的方便，系统具有较好的扩展性。

2 | 建造者模式的结构与实现

2.1 建造者模式的结构

• (1) 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() (例如图6-2中的 BuildPartA()、BuildPartB() 等)，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。
• (2)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，定义并明确所创建的复杂对象，还可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象(该方法也可由抽象建造者实现)。
• (3) Product(产品)：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。
• (4) 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。

2.2 建造者模式的实现

在构建模式的定义中提到了复杂对象，那什么是复杂对象呢？简单来说，复杂对象是指包含多个成员变量的对象，这些成员对象也称为部件或零件。举例：

• 汽车（复杂对象）包括：方向盘，车灯，发动机，轮胎，座椅等部件；
• 电子邮件（复杂对象）包括：发件人，收件人，主题，内容、附件等部件；

建造者模式的代码设计

using System;

namespace BuilderPattern
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Hello BuilderPattern!");

            {
                Builder builder = new ConcreteBuilder1();
                Director director = new Director(builder);
                Product product = director.Construct(); //构建复杂对象
                Console.WriteLine($"【复杂对象】=> PartA:{product.PartA},PartB:{product.PartB},PartC:{product.PartC}");
            }
        }
    }

    #region BuilderPattern-Demo
    /// <summary>
    /// 产品
    /// </summary>
    class Product
    {
        public string PartA { get; set; }
        public string PartB { get; set; }
        public string PartC { get; set; }
    }

    /// <summary>
    /// 构建着 & 抽象类
    /// </summary>
    abstract class Builder
    {
        //创建产品对象
        protected readonly Product product = new Product();

        public abstract void BuildPartA();
        public abstract void BuildPartB();
        public abstract void BuildPartC();

        /// <summary>
        /// 返回产品对象
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public Product GetResult()
        {
            return product;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 具体构建者
    /// </summary>
    class ConcreteBuilder1 : Builder
    {
        public override void BuildPartA()
        {
            product.PartA = "A1";
        }

        public override void BuildPartB()
        {
            product.PartB = "B1";
        }

        public override void BuildPartC()
        {
            product.PartC = "C1";
        }
    }

    /// <summary>
    /// 指挥者
    /// </summary>
    class Director
    {
        private Builder _builder;
        public Director(Builder builder)
        {
            _builder = builder;
        }

        public void SetBuilder(Builder builder)
        {
            _builder = builder;
        }

        /// <summary>
        /// 产品构建与组装方法
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        public Product Construct()
        {
            _builder.BuildPartA();
            _builder.BuildPartB();
            _builder.BuildPartC();

            return _builder.GetResult();
        }
    }
    #endregion
}

在指挥者类中可以注入一个抽象建造者类型的对象，它提供了一个建造者方法 Construct() ，在该方法中调用了 builder 对象的构造部件的方法，最后返回一个产品对象。

对于客户而言，只需关心具体的构建者的类型，无需关心产品对象的具体组装过程。

用户可以通过配置文件来存储具体的建造者类 ConcreteBuilder1 的类名，使得在更换新的构建者时无需修改源代码，系统扩展更为方便。

2.3 建造者模式 & 抽象工厂模式的异同与关联

• 共同点：建造者模式与抽象工厂模式都是较为复杂的创建型模式。
• 差异点：侧重点不一样，建造者模式返回一个完整的复杂产品，而抽象工厂模式是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来指导 Director 如何去生成对象，侧重逐步构造一个复杂对象，然后将结果返回。
• 关联点：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。

2.4 建造者模式的应用实例

2.4.1 实例说明

某游戏软件公司决定开发一款基于角色扮演的多人在线网络游戏，玩家可以在游戏中扮演虚拟世界中的一个特定角色，角色根据不同的游戏情节和统计数据(例如力量、魔法、技能等)具有不同的能力，角色也会随着不断升级而拥有更加强大的能力。
作为该游戏的一个重要组成部分，需要对游戏角色进行设计，而且随着该游戏的升级将不断增加新的角色。通过分析发现,游戏角色是一个复杂对象,它包含性别、面容等多个组成部分，不同类型的游戏角色,其性别、面容、服装、发型等外部特性有所差异，例如“天使”拥有美丽的面容和披肩的长发，并身穿一袭白裙；而“恶魔”极其丑陋，留着光头并穿一件刺眼的黑衣。
无论是何种造型的游戏角色，它的创建步骤都大同小异，都需要逐步创建其组成部分，再将各组成部分装配成一个完整的游戏角色。现使用建造者模式来实现游戏角色的创建。

2.4.2 实例角色结构图

2.4.3 实例代码

（1）Actor：游戏角色类，充当复杂产品对象。此处为案例讲解，简化了成员变量的数据类型，统一使用 string ，真实环境中具体的类型根据实际情况定义。

/// <summary>
/// 游戏角色类，充当复杂产品对象。
/// </summary>
class Actor
{
    /// <summary>
    /// 角色类型
    /// </summary>
    public string Type{ get; set; }

    /// <summary>
    /// 性别
    /// </summary>
    public string Sex{ get; set; } 

    /// <summary>
    /// 面容
    /// </summary>
    public string Face{ get; set; }

    /// <summary>
    /// 服装
    /// </summary>
    public string Costume{ get; set; } 

    /// <summary>
    /// 发型
    /// </summary>
    public string Hairstyle{ get; set; } 
}

（2）ActorBuilder：游戏角色建造者，充当抽象建造者。

/// <summary>
/// 角色建造者：抽象建造者
/// </summary>
abstract class ActorBuilder
{
    protected readonly Actor actor = new Actor();

    public abstract void BuildType();
    public abstract void BuildSex();
    public abstract void BuildFace();
    public abstract void BuildCostume();
    public abstract void BuildHairstyle();

    //工厂方法，返回一个完整的游戏角色对象
    public Actor CreateActor()
    {
        return actor;
    }
}

（3）HeroBuilder：英雄角色建造者，充当具体建造者。

/// <summary>
/// 英雄角色建造者，充当具体建造者。
/// </summary>
class HeroBuilder : ActorBuilder
{
    public override void BuildType()
    {
        actor.Type = "英雄";
    }

    public override void BuildSex()
    {
        actor.Sex = "男";
    }

    public override void BuildFace()
    {
        actor.Face = "英俊";
    }

    public override void BuildCostume()
    {
        actor.Costume = "盔甲";
    }

    public override void BuildHairstyle()
    {
        actor.Hairstyle = "飘逸";
    }
}

其他两个角色 AngelBuilder：天使角色构建者，DevilBuilder：恶魔角色建造者，均充当具体建造者。和上述代码类似，不再重复。

（4）ActorController：角色控制器，充当角色指挥者。

/// <summary>
/// 角色控制器，充当角色指挥者。
/// </summary>
class ActorController
{
    //逐步构建复杂产品对象
    public Actor Construct(ActorBuilder ab)
    {
        Actor actor;
        ab.BuildType();
        ab.BuildSex();
        ab.BuildFace();
        ab.BuildCostume();
        ab.BuildHairstyle();
        actor = ab.CreateActor();
        return actor;
    }
}

（5）配置文件 App.config，在配置文件中存储了具体建造者类的类名（FullClassName）

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration>
	<appSettings>
		<add key="builder" value="BuilderPattern.GameCharacter.HeroBuilder"/>
	</appSettings>
</configuration>

（6）客户端 Program 中的 Main 调用

// 游戏角色结构创建
//xml配置文件与反射方式扩展
// 1.读取【App.config】配置文件，key = builder
string builderType = ConfigurationManager.AppSettings["builder"];
// 2.反射生成对象
ActorBuilder ab = (ActorBuilder)Assembly.Load("BuilderPattern").CreateInstance(builderType);
ActorController ac = new ActorController();
Actor actor = ac.Construct(ab); // 通过指挥者创建完整的建造者对象

Console.WriteLine($"{actor.Type}的外观，性别：{actor.Sex},面容：{actor.Face},服装：{actor.Costume},发型：{actor.Hairstyle}");

3 | 指挥者类 Director  的深入探讨

3.1 建造者模式的简化

简化方式1：省略 Director 

在某些情况下，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 中提供了逐渐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，以便客户端能够直接调用。如果将游戏角色实例中的指挥者类 ActorController 省略，ActorBuilder 的代码修改如下：

abstract class ActorBuilder
{
    // 设置对象静态 & 只读并且实例化
    protected static readonly Actor actor = new Actor();

    public abstract void BuildType();
    public abstract void BuildSex();
    public abstract void BuildFace();
    public abstract void BuildCostume();
    public abstract void BuildHairstyle();

    // 工厂方法，返回一个完整的游戏角色对象
    public Actor CreateActor(ActorBuilder ab)
    {
        ab.BuildType();
        ab.BuildSex();
        ab.BuildFace();
        ab.BuildCostume();
        ab.BuildHairstyle();
        return actor;
    }
}

简化方式2 ：省略 Director ，同时去除 CreateActor(ActorBuilder ab) 方法的参数 ActorBuilder，直接在该方法中调用 this.BuildXXX() 方法，修改如下：

abstract class ActorBuilder
{
    // 设置对象静态 & 只读并且实例化
    protected static readonly Actor actor = new Actor();

    public abstract void BuildType();
    public abstract void BuildSex();
    public abstract void BuildFace();
    public abstract void BuildCostume();
    public abstract void BuildHairstyle();

    // 工厂方法，返回一个完整的游戏角色对象
    public Actor CreateActor()
    {
        this.BuildType();
        this.BuildSex();
        this.BuildFace();
        this.BuildCostume();
        this.BuildHairstyle();
        return actor;
    }
}

简化后的客户端调用

// 游戏角色结构创建
//xml配置文件与反射方式扩展
// 1.读取【App.config】配置文件，key = builder
string builderType = ConfigurationManager.AppSettings["builder"];
// 2.反射生成对象
ActorBuilder ab = (ActorBuilder)Assembly.Load("BuilderPattern").CreateInstance(builderType);
Actor actor = ab.Construct(); // 通过指挥者创建完整的建造者对象

Console.WriteLine($"{actor.Type}的外观，性别：{actor.Sex},面容：{actor.Face},服装：{actor.Costume},发型：{actor.Hairstyle}");

以上两种简化方式都不影响系统的灵活性和可扩展性，同时还简化了系统结构，但是加重了抽象建造者类的职责。如果上述的 CreateActor() 方法内部构造较为复杂，待构建产品的组成部分较多，建议将 CreateActor() 方法单独封装在 Director 中，这样更符合单一职责原则。

3.2 钩子方法（Hook Method）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，例如增加一类称为钩子方法 (Hook Method) 的特殊方法来控制是否调用某个 BuildPartX() 方法。
钩子方法的返回类型通常为 bool 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 中为之提供一个默认实现,其返回值为 false，代码如下：

//角色建造者：抽象建造者
abstract class ActorBuilder
{
    protected Actor actor = new Actor();

    public abstract void BuildType();
    public abstract void BuildSex();
    public abstract void BuildFace();
    public abstract void BuildCostume();
    public abstract void BuildHairstyle();

    //钩子方法（Hook Method），需要使用 virtual 关键字
    public virtual bool IsBareheaded() 
    {
        return false;
    }

    //工厂方法，返回一个完整的游戏角色对象
    public Actor CreateActor()
    {
        return actor;
    }
}

如果派生类中的某个角色无需构建某个部件（比如恶魔 Devil /头发部件），则对应的具体建造者 DevilBuilder 将重写覆盖 父类的 钩子方法，并将其值改为 true 返回。

/// <summary>
/// 英雄角色建造者，充当具体建造者。
/// </summary>
class HeroBuilder : ActorBuilder
{
    public override void BuildType()
    {
        actor.Type = "英雄";
    }

    public override void BuildSex()
    {
        actor.Sex = "男";
    }

    public override void BuildFace()
    {
        actor.Face = "英俊";
    }

    public override void BuildCostume()
    {
        actor.Costume = "盔甲";
    }

    public override void BuildHairstyle()
    {
        actor.Hairstyle = "飘逸";
    }

    // 重写覆盖父类的钩子方法
    public override bool IsBareheaded()
    {
        return true;
    }

}

 同时修改指挥者类 ActorController 的代码如下：

/// <summary>
/// 角色控制器，充当角色指挥者。
/// </summary>
class ActorController
{
    //逐步构建复杂产品对象
    public Actor Construct(ActorBuilder ab)
    {
        ab.BuildType();
        ab.BuildSex();
        ab.BuildFace();
        ab.BuildCostume();

        // 通过钩子方法来控制产品部件的构建
        if (!ab.IsBareheaded())
        {
            ab.BuildHairstyle();
        }

        return ab.CreateActor();
    }
}

4 | 建造者模式的优缺点与适用环境

建造者模式的核心在于如何逐步的构建一个包含多个组成部件的完整对象，适用相同的构建过程构建不同的产品。在软件开发中，如果要创建复杂对象并希望具备很好的灵活性和可扩展性，可以考虑适用建造者模式。

4.1 建造者模式的主要优点

• (1)在建造者模式中，客户端不必知道产品内部组成的细节，将产品本身与严品的创建过密解熊、曼得祖同的创建过程可以创建不同的产品对象。
• (2)每一个具体建造着都相对独立，与其他的具体建造者无关，因此可以很方便地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由于指挥者类针对抬象建造者编程，增加新的具体建者无须修改原有类库的代码，系展方便、等合开团原则。
• (3)用户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注中，使具创建过程更加清晰，也更方便使用程序来控制创建过程。

4.2 建造者模式的主要缺点

• (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，例如很多组成部分不相同，则不适合使用建造者模式，因此其使用范围一定的限制。
• (2)如果产吕的内部变化复杂，可能会需要定义很多具体建造者类来实现这种变化。致系统变得很庞大，增加了系统的理解难度和运行成本。

4.3 建造者模式的适用环境

• (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变量。(2)雪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指挥者类，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创建不同的产品。