设计模式- 建造者模式（Builder Pattern）结构|原理|优缺点|场景|示例

设计模式（分类）设计模式（六大原则）

创建型

工厂方法抽象工厂模式单例模式建造者模式原型模式

结构型

适配器模式

建造者模式（Builder Pattern）是一种创建型设计模式，其主要目的是将复杂对象的构建过程与它的表示分离，使得相同的构建过程可以创建不同的表示。这种模式适用于创建包含多个可选部件、步骤复杂且可能需要逐步构建的复杂对象，它能将构建过程分解为多个独立的、可复用的步骤，使得对象的创建过程更加清晰、灵活且易于扩展。

模式结构

建造者模式通常包含以下角色：

产品（Product）：表示要构建的复杂对象，包含多个组成部件。
抽象建造者（Abstract Builder）：定义创建产品各个部件的接口，并声明一个方法返回最终的完整产品。
具体建造者（Concrete Builders）：实现抽象建造者的接口，提供创建产品各个部件的详细实现，并在最后返回一个完整的具体产品实例。
导演者（Director）：负责调用具体建造者的相关方法来一步步构建产品，它不涉及具体产品的部件创建细节，只负责按特定顺序安排建造过程。

工作原理

客户端：创建一个具体建造者实例，并将其交给导演者。客户端不直接与产品交互，而是通过导演者指定构建过程。
导演者：持有具体建造者实例，调用其方法按照预定的步骤构建产品。导演者不关心具体建造者的内部实现细节，只关注构建过程的顺序。
具体建造者：实现抽象建造者接口，提供构建产品各个部件的方法。每个具体建造者对应一种产品的不同构建方式。
产品：定义产品的组成部分和接口，供外界使用。具体建造者通过构建产品的各个部件来创建完整的产品实例。

优缺点

优点

封装性：将复杂对象的构建过程封装在建造者内部，与对象的表示分离，使客户端无需了解对象的内部构造细节。
灵活性：可以通过改变具体建造者来改变产品的内部结构，无需修改导演者和客户端代码，符合“开闭原则”。
可扩展性：易于扩展以构建不同类型的复杂对象，只需增加新的具体建造者即可。
可复用性：抽象建造者和具体建造者可以被多个导演者重用，构建过程可以独立于使用过程。

缺点

代码复杂度增加：引入了多个类（抽象建造者、具体建造者、导演者），增加了系统的复杂性，对于简单的对象构建可能显得过度设计。
产品结构固化：如果产品的内部结构需要频繁变动，可能需要不断修改建造者，维护成本较高。

适用场景

对象构建过程复杂：当对象的创建涉及多个步骤，且这些步骤的顺序和组合可能有多种变化时，适合使用建造者模式。
需要灵活改变产品内部结构：当需要构建的产品内部结构可变，或者存在多种不同结构的产品需要构建时，建造者模式可以提供灵活的构建方式。
构建过程独立于使用过程：当构建过程与产品的使用过程分离，且构建过程需要独立封装时，建造者模式能够很好地满足需求。

代码示例（以Java为例）

// 产品（复杂对象）
class Computer {private String cpu;private String ram;private String hdd;public Computer(String cpu, String ram, String hdd) {this.cpu = cpu;this.ram = ram;this.hdd = hdd;}@Overridepublic String toString() {return "Computer{" +"cpu='" + cpu + '\'' +", ram='" + ram + '\'' +", hdd='" + hdd + '\'' +'}';}
}// 抽象建造者
interface ComputerBuilder {void buildCPU(String cpu);void buildRAM(String ram);void buildHDD(String hdd);Computer build();
}// 具体建造者
class DesktopBuilder implements ComputerBuilder {private String cpu;private String ram;private String hdd;@Overridepublic void buildCPU(String cpu) {this.cpu = cpu;}@Overridepublic void buildRAM(String ram) {this.ram = ram;}@Overridepublic void buildHDD(String hdd) {this.hdd = hdd;}@Overridepublic Computer build() {return new Computer(cpu, ram, hdd);}
}// 导演者
class Director {public Computer constructComputer(ComputerBuilder builder) {builder.buildCPU("Intel i7");builder.buildRAM("16GB DDR4");builder.buildHDD("1TB SSD");return builder.build();}
}// 客户端代码
public class Main {public static void main(String[] args) {Director director = new Director();ComputerBuilder desktopBuilder = new DesktopBuilder();Computer computer = director.constructComputer(desktopBuilder);System.out.println(computer); // 输出：Computer{cpu='Intel i7', ram='16GB DDR4', hdd='1TB SSD'}}
}

在这个Java示例中：

Computer类是复杂的产品对象，包含CPU、RAM和HDD三个部件。
ComputerBuilder接口定义了构建计算机各个部件的方法，以及返回完整计算机对象的方法。
DesktopBuilder类实现了ComputerBuilder接口，提供了构建计算机部件的具体实现。
Director类负责调用DesktopBuilder的构建方法，按照特定顺序构建计算机，并返回构建完成的计算机对象。
客户端代码通过Director来构建计算机，无需关心具体的构建细节。如果需要构建不同类型的计算机（如笔记本电脑），只需创建新的具体建造者类并传递给Director即可。

代码示例（以Python为例）

# 产品（复杂对象）
class Computer:def __init__(self, cpu, ram, hdd):self.cpu = cpuself.ram = ramself.hdd = hdddef __str__(self):return f"Computer(cpu={self.cpu}, ram={self.ram}, hdd={self.hdd})"# 抽象建造者
class ComputerBuilder:def build_cpu(self, cpu):raise NotImplementedError("Subclasses must implement this method")def build_ram(self, ram):raise NotImplementedError("Subclasses must implement this method")def build_hdd(self, hdd):raise NotImplementedError("Subclasses must implement this method")def build(self):raise NotImplementedError("Subclasses must implement this method")# 具体建造者
class DesktopBuilder(ComputerBuilder):def __init__(self):self.cpu = Noneself.ram = Noneself.hdd = Nonedef build_cpu(self, cpu):self.cpu = cpudef build_ram(self, ram):self.ram = ramdef build_hdd(self, hdd):self.hdd = hdddef build(self):return Computer(self.cpu, self.ram, self.hdd)# 导演者
class Director:def construct_computer(self, builder):builder.build_cpu("Intel i7")builder.build_ram("16GB DDR4")builder.build_hdd("1TB SSD")return builder.build()# 客户端代码
def main():director = Director()builder = DesktopBuilder()computer = director.construct_computer(builder)print(computer)  # 输出：Computer(cpu=Intel i7, ram=16GB DDR4, hdd=1TB SSD)if __name__ == "__main__":main()

在这个Python示例中：

Computer类是复杂的产品对象，包含CPU、RAM和HDD三个部件，并提供了__str__方法以便打印输出。
ComputerBuilder类作为抽象建造者，定义了构建计算机各个部件的方法（build_cpu、build_ram、build_hdd）以及返回完整计算机对象的build方法，这些方法在抽象类中均抛出NotImplementedError，要求子类必须实现。
DesktopBuilder类继承自ComputerBuilder，实现了具体构建计算机部件的方法，并在build方法中返回一个新建的Computer实例。
Director类负责调用DesktopBuilder的构建方法，按照特定顺序构建计算机，并返回构建完成的计算机对象。
客户端代码通过Director来构建计算机，无需关心具体的构建细节。如果需要构建不同类型的计算机（如笔记本电脑），只需创建新的具体建造者类并传递给Director即可。