建造者设计模式

3. 建造者设计模式

3.1 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。

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。

创建者模式主要包含以下四个角色：

  • 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。

我们以文档编辑器为例，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。我们可以使用创建者设计模式来构建HTML文档。

产品（Product）类 - HTML文档（HtmlDocument）：

/*** 类描述：产品（Product），表示将要被构建的复杂对象。* 需求：创建一个复杂的HTML文档，它包含了标题、段落和图像等元素。我们可以使用创建者设计模式来构建HTML文档。** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/11/21 22:57*/
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>";}
}

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

/*** 类描述：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。** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/11/21 23:01*/
public abstract class HtmlDocumentBuilder {/*** 文档对象*/protected HtmlDocument document;/*** 获取document文档对象** @return*/public HtmlDocument getDocument() {return document;}/*** 创建document文档对象*/public void createNewHtmlDocument() {document = new HtmlDocument();}/*** 构建文档对象的header*/public abstract void buildHeader();/*** 构建文档对象的body*/public abstract void buildBody();/*** 构建文档对象的footer*/public abstract void buildFooter();
}

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

/*** 类描述：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。** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/11/21 23:04*/
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");}
}

指挥者（Director）类 - HtmlDirector：

public class HtmlDirector {/*** 构建者*/private HtmlDocumentBuilder builder;public HtmlDirector(HtmlDocumentBuilder builder) {this.builder = builder;}/*** 构建文档对象*/public void constructDocument() {builder.createNewHtmlDocument();builder.buildHeader();builder.buildBody();builder.buildFooter();}/*** 获取document对象** @return*/public HtmlDocument getDocument() {return builder.getDocument();}
}

现在测试使用创建者设计模式来构建一个HTML文档对象：

/*** 类描述：构建者设计模式的测试** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/11/21 23:16*/
@Slf4j
public class BuilderPatternTest {@Testpublic void testHtmlDocumentBuilder() {HtmlDocumentBuilder htmlDocumentBuilder = new ArticleHtmlDocumentBuilder();HtmlDirector director = new HtmlDirector(htmlDocumentBuilder);director.constructDocument();HtmlDocument htmlDocument = director.getDocument();log.info(">>> Constructed HTML Document: \n {}", htmlDocument.toString());}
}

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，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。在工作中往往不会写的这么复杂，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）：

/*** 类描述：产品（Product），表示将要被构建的复杂对象。* 需求：创建一个复杂的HTML文档，它包含了标题、段落和图像等元素。我们可以使用创建者设计模式来构建HTML文档。** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/11/21 22:57*/
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 Builder builder() {return new Builder();}public static class Builder {protected HtmlDocument document;private 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;}}
}

再来测试创建一个HTML文档对象：

/*** 类描述：构建者设计模式的测试** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/11/21 23:16*/
@Slf4j
public class BuilderPatternTest {@Testpublic void testHtmlDocumentBuilder2() {HtmlDocument htmlDocument = HtmlDocument.builder().addHeader("This is the header").addBody("This is body").addFooter("This is footer").build();log.info(">>> Constructed HTML Document: \n {}", htmlDocument.toString());}
}

3.2 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。

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<Class<? extends Cache>>();}public CacheBuilder implementation(Class<? extends Cache> implementation) {this.implementation = implementation;return this;}public CacheBuilder addDecorator(Class<? extends Cache> decorator) {if (decorator != null) {this.decorators.add(decorator);}return this;}public CacheBuilder size(Integer size) {this.size = size;return this;}public CacheBuilder clearInterval(Long clearInterval) {this.clearInterval = clearInterval;return this;}public CacheBuilder readWrite(boolean readWrite) {this.readWrite = readWrite;return this;}public CacheBuilder blocking(boolean blocking) {this.blocking = blocking;return this;}public CacheBuilder properties(Properties properties) {this.properties = properties;return this;}public Cache build() {setDefaultImplementations();Cache cache = newBaseCacheInstance(implementation, id);setCacheProperties(cache);// issue #352, do not apply decorators to custom caches// 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())) {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：

  • 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。
  • 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。下面是一个使用创建者设计模式实现的不可变对象的Java示例：

/*** 类描述：实现不可变对象** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/11/26 21:21*/
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 Builder builder() {return new Builder();}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 修饰，一旦设置就不能更改。ImmutablePerson 的构造函数是私有的且没有set方法，外部无法直接创建该类的实例。需要使用内部的 Builder 类要创建一个 ImmutablePerson 实例，通过连续调用 Builder 类的方法，来为ImmutablePerson 设置属性。最后调用 build() 方法，创建一个具有指定属性的不可变 ImmutablePerson 实例。

3.3 源码应用

创建者设计模式在源码中有广泛的使用：
（1）jdk中的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源码中使用创建者设计模式，如Spring中的BeanDefinitionBuilder 类，mybatis中SqlSessionFactoryBuilder 、
XMLConfigBuilder 、XMLMapperBuilder 、XMLStatementBuilder 、CacheBuilder 等。

（3）使用lombok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。以下是一个使用 Lombok 的创建者设计模式的例子：

首先在项目中引入了 Lombok 依赖：

<dependency><groupId>org.projectlombok</groupId><artifactId>lombok</artifactId><version>1.18.12</version><scope>provided</scope>
</dependency>

创建一个类, 使用lombok的相关注解实现建造者模式：

/*** 类描述：使用Lombok构建实例，查看编译后的class文件，会自动生成构建对象的代码（使用的构建者模式）** @Author crysw* @Version 1.0* @Date 2023/11/20 23:19*/
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
@Data
@Builder
public class Person {private String name;private Integer age;
}

反编译后的Person类：

package cn.itcast.designPatterns.builder;public class Person {private String name;private Integer age;public static PersonBuilder builder() {return new PersonBuilder();}public Person() {}public Person(String name, Integer age) {this.name = name;this.age = age;}public String getName() {return this.name;}public Integer getAge() {return this.age;}public void setName(String name) {this.name = name;}public void setAge(Integer age) {this.age = age;}public boolean equals(Object o) {if (o == this) {return true;} else if (!(o instanceof Person)) {return false;} else {Person other = (Person)o;if (!other.canEqual(this)) {return false;} else {Object this$name = this.getName();Object other$name = other.getName();if (this$name == null) {if (other$name != null) {return false;}} else if (!this$name.equals(other$name)) {return false;}Object this$age = this.getAge();Object other$age = other.getAge();if (this$age == null) {if (other$age != null) {return false;}} else if (!this$age.equals(other$age)) {return false;}return true;}}}protected boolean canEqual(Object other) {return other instanceof Person;}public int hashCode() {int PRIME = true;int result = 1;Object $name = this.getName();result = result * 59 + ($name == null ? 43 : $name.hashCode());Object $age = this.getAge();result = result * 59 + ($age == null ? 43 : $age.hashCode());return result;}public String toString() {return "Person(name=" + this.getName() + ", age=" + this.getAge() + ")";}// 内部类建造者public static class PersonBuilder {private String name;private Integer age;PersonBuilder() {}public PersonBuilder name(String name) {this.name = name;return this;}public PersonBuilder age(Integer age) {this.age = age;return this;}public Person build() {return new Person(this.name, this.age);}public String toString() {return "Person.PersonBuilder(name=" + this.name + ", age=" + this.age + ")";}}
}

测试lombok创建的建造者模式实现的类

@Test
public void testPerson() {Person person = builder().name("crysw").age(23).build();person.setName("panda");person.setAge(22);log.info(">>> person: {}", person);}

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