建造者模式

思考并回答以下问题：

• 建造者模式包含4个角色。是哪4个？
• 在建造者模式的定义中提到了复杂对象，那么什么是复杂对象？
• 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。怎么理解？
• 建造者模式中还引入了一个指挥者类Director，该类主要有两个作用：一方面隔离了客户端与创建过程；另一方面控制产品对象的创建过程。怎么理解？
• 建造者客户端new一个指挥者，new一个具体建造者，然后调用指挥者的无参方法即可创建一个产品对象。怎么理解？
• 抽象建造者是直接new了产品，然后对属性的不同赋值交给子类去完成。怎么理解？
• Director可以省略吗？

本章导学

建造者模式是一种较为复杂的创建型模式，它将客户端与包含多个组成部分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，不同的具体建造者定义了不同的创建过程，且具体建造者相互独立，更换建造者或增加新的建造者非常方便，系统具有较好的扩展性。

本章将学习建造者模式的定义与结构，理解建造者模式中各个组成元素作用，并通过实例来学习如何实现建造者模式。

本章知识点

• 建造者模式的定义
• 建造者模式的结构
• 建造者模式的实现
• 建造者模式的应用
• 建造者模式的优缺点
• 建造者模式的适用环境
• 指挥者类的作用与变化

建造者模式概述

无论是在现实世界中还是在软件系统中，都存在一些复杂的对象，它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，如图1所示。

图1 复杂对象（汽车）示意图

如何将这些部件组装成一辆完整的汽车并返回给用户，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，而无须知道其内部的具体构造细节。

建造者模式的定义如下：

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。

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。

建造者模式的结构与实现

建造者模式的结构

建造者模式的结构如图2所示。

图2 建造者模式结构图

由图2可知，建造者模式包含以下4个角色。

(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。

建造者模式的实现

在建造者模式的定义中提到了复杂对象，那么什么是复杂对象，简单来说，复杂对象是指包含多个成员变量的对象，这些成员变量也称为部件或零件。如汽车包括方向盘、发动机、轮胎等部件，电子邮件包括发件人、收件人、主题、内容、附件等部件。一个典型的复杂对象类示例的代码如下：

class Product
{
    private string partA;
    private string partB;
    private string partC;

    public string PartA
    {
        get { return partA; }
        set { partA = value; }
    }

    public string PartB
    {
        get { return partB; }
        set { partB = value; }
    }

    public string PartC
    {
        get { return partC; }
        set { partC = value; }
    }
}

在抽象建造者类中定义了产品的创建方法和返回方法，其典型代码如下：

abstract class Builder
{
    protected Product product = new Product();

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

    public Product GetResult()
    {
        return product;
    }
}

在抽象类Builder中声明了一系列抽象的BuildPartX()方法用于创建复杂产品的各个部件，具体建造过程在ConcreteBuilder中实现，此外，Builder还提供了一个GetResult()方法用于返回一个已创建好的完整产品对象。

在ConcreteBuilder中实现了这些BuildPartX()方法，通过调用Product的Setter方法可以给产品对象的成员变量设值，不同的具体建造者在实现BuildPartX()方法时将有所区别。典型的具体建造者类代码如下：

class ConcreteBuilder1 : Builder
{
    public override void BuildPartA()
    {
        product.PartA = "A1";
    }

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

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

此外，在建造者模式中还引入了一个指挥者类Director，该类主要有两个作用：一方面隔离了客户端与创建过程；另一方面控制产品对象的创建过程，包括某个BuildPartX()方法是否被调用以及多个BuildPartX()方法调用的先后次序等。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，便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。在实际生活中也存在类似指挥者一样的角色，如一个客户去购买计算机，计算机销售人员相当于指挥者，只要客户确定计算机的类型，计算机销售人员就可以通知计算机组装人员给客户组装一台计算机。指挥者类的示例代码如下：

class Director
{
    private Builder builder;

    public Director(Builder builder)
    {
        this.builder = builder;
    }

    public void SetBuilder(Builder builder)
    {
        this.builder = builder
    }

    public Product Construct()
    {
        builder.BuildPartA();
        builder.BuildPartB();
        builder.BuildPartC();

        return builder.GetResult();
    }
}

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。

对于客户端而言，只需关心具体建造者的类型，无须关心产品对象的具体组装过程。通常，客户类代码片段如下：

...
Builder builder = new ConcreteBuilder1();
Director director = new Director(builder);
Product product = director.Construct();
...

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

建造者模式与抽象工厂模式都是较为复杂的创建型模式，建造者模式返回一个完整的复杂产品，抽象工厂模式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工厂来生成所需对象，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类如何去生成对象，侧重逐步构造一个复杂对象，然后将结果返回。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。

建造者模式的应用实例

下面通过一个应用实例来进一步学习和理解建造者模式。

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.实例类图

通过分析，本实例的结构如图3所示。

图3 游戏角色创建结构图

在图3中，ActorController充当指挥者，ActorBuilder充当抽象建造者，HeroBuilder、AngelBuilder和DevilBuilder充当具体建造者，Actor充当复杂产品。

3.实例代码

(1)Actor：游戏角色类，充当复杂产品对象。考虑到代码的可读性，在此只列出了部分成员变量，且成员变量的类型均为string，真实情况下，有些成员变量的类型需用户自定义。

namespace BuilderSample
{
    class Actor
    {
        private string type; //角色类型
        private string sex; //性别
        private string face; //面容
        private string costume; //服装
        private string hairstyle; //发型

        public string Type
        {
            get { return type; }
            set { type = value; }
        }

        public string Sex
        {
            get { return sex; }
            set { sex = value; }
        }

        public string Face
        {
            get { return face; }
            set { face = value; }
        }

        public string Costume
        {
            get { return costume; }
            set { costume = value; }
        }

        public string Hairstyle
        {
            get { return hairstyle; }
            set { hairstyle = value; }
        }
    }
}

(2)ActorBuilder：游戏角色建造者，充当抽象建造者。

namespace BuilderSample
{
    //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();

        //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。

namespace BuilderSample
{
    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";
        }   
    }
}

(4)AngelBuilder：天使角色建造者，充当具体建造者。

namespace BuilderSample
{
    class AngelBuilder : ActorBuilder
    {
        public override void BuildType()
        {
            actor.Type = "天使";
        }

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

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

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

        public override void BuildHairstyle()
        {
            actor.Hairstyle = "披肩长发";
        }   
    }
}

(5)DevilBuilder：恶魔角色建造者，充当具体建造者。

namespace BuilderSample
{
    class DevilBuilder : ActorBuilder
    {
        public override void BuildType()
        {
            actor.Type = "恶魔";
        }

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

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

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

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

(6)ActorController：角色控制器，充当指挥者。

namespace BuilderSample
{
    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;
        }
    }
}

(7)配置文件App.config：在配置文件中存储了具体建造者类的类名。

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

(8)Program：客户端测试类。

using System;
using System.Configuration;
using System.Reflection;

namespace BuilderSample
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            ActorBuilder ab; //针对抽象建造者编程
            //读取配置文件
            string builderType = ConfigurationManager.AppSettings["builder"]; 
            //反射生成对象
            ab = (ActorBuilder)Assembly.Load("BuilderSample").CreateInstance(builderType); 

            ActorController ac = new ActorController();
            Actor actor;
            actor = ac.Construct(ab); //通过指挥者创建完整的建造者对象
            
            Console.WriteLine("{0}的外观：",actor.Type);
            Console.WriteLine("性别：{0}",actor.Sex);
            Console.WriteLine("面容：{0}",actor.Face);
            Console.WriteLine("服装：{0}",actor.Costume);
            Console.WriteLine("发型：{0}",actor.Hairstyle);
            Console.Read();
        }
    }
}

4.结果及分析

编译并运行程序，输出结果如下：

天使的外观：  
性别：女  
面容：漂亮  
服装：白裙  
发型：披肩长发

如果需要更换具体角色建造者，只需修改配置文件即可，例如将配置文件中key为“builder”的键值对的value值改为“BuilderSample.HeroBuilder”，再次运行程序，输出结果如下：

英雄的外观：  
性别：男  
面容：英俊  
服装：盔甲  
发型：飘逸

当需要增加新的具体角色建造者时，只需将新增具体角色建造者作为抽象角色建造者的子类，然后修改配置文件即可，原有代码无须修改，完全符合开闭原则。

指挥者类的深入讨论

指挥者类Director是建造者模式的重要组成部分，简单的Director类用于指导具体建造者构建产品，它按一定次序调用Builder的BuildPartX()方法，控制调用的先后次序，并向客户端返回一个完整的产品对象。下面讨论几种Director的变化形式。

1.省略Director

在有些情况下，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中提供了逐步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（static）方法，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类的代码修改如下：

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

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

        public static Actor Construct(ActorBuilder ab)
        {
            ab.BuildType();
            ab.BuildSex();
            ab.BuildFace();
            ab.BuildCostume();
            ab.BuildHairstyle();

            return actor;
        }
    }
}

此时对应的客户端代码也将发生修改，代码片段如下：

...
ActorBuilder ab;
string builderType = ConfigurationManager.AppSettings["builder"];
ab = (ActorBuilder)Assembly.Load("BuildExtend").CreateInstance(builderType);
Actor actor;
actor = ActorBuilder.Construct(ab);
...

除此之外，还有一种更简单的处理方法，可以将Construct()方法中的参数去掉，直接在Construct()方法中调用BuildPartX()方法，代码如下：

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();

    public Actor Construct()
    {
        this.BuildType();
        this.BuildSex();
        this.BuildFace();
        this.BuildCostume();
        this.BuildHairstyle();

        return actor;
    }
}

客户端代码片段如下：

...
ActorBuilder ab;
string builderType = ConfigurationManager.AppSettings["builder"];
ab = (ActorBuilder)Assembly.Load("BuildExtend").CreateInstance(builderType);
Actor actor;
actor = ab.Construct();
...

此时，Construct()方法定义了BuildPartX()方法的调用次序，为BuildPartX()方法的执行提供了一个流程模板，这与后面将要学习的模板方法模式非常类似。

以上两种对Director类的省略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，但加重了抽象建造者类的职责。如果Construct()方法较为复杂，待构建产品的组成部分较多，建议将Construct()方法单独封装在Director中，这样更符合单一职责原则。

2.钩子方法的引入

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：

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，需要使用virtual关键字
    public virtual bool IsBareheaded()
    {
        return false;
    }

    public Actor CreateActor()
    {
        return actor;
    }
}

如果某个角色无须构建头发部件，例如“恶魔（Devil）”，则对应的具体建造者DevilBuilder将覆盖IsBareheaded()方法，并将返回值改为true，代码如下：

class DevilBuilder : ActorBuilder
{
    public override void BuildType()
    {
        actor.Type = "恶魔";
    }

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

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

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

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

    // 覆盖钩子方法
    public override bool IsBareheaded()
    {
        return true;
    }   
}

同时，指挥者类ActorController的代码修改如下：

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();

        // 通过钩子方法来控制产品的构建
        if (!ab.IsBareheaded())
        {
            ab.BuildHairstyle();
        }
        
        actor = ab.CreateActor();
        return actor;
    }
}

当在客户端代码中指定具体建造者类型并通过指挥者来实现产品的逐步构建时，将调用钩子方法IsBareheaded()来判断游戏角色是否有头发，如果IsBareheaded()方法返回true，即没有头发，将跳过构建发型的方法BuildHairstyle()，否则执行BuildHairstyle()方法。通过引入钩子方法，可以在Director中对复杂产品的构建进行精细的控制，不仅指定BuildPartX()方法的执行顺序，还可以控制是否需要执行某个BuildPartX()方法。

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构建一个包含多个组成部件的完整对象，使用相同的构建过程构建不同的产品。在软件开发中，如果需要创建复杂对象并希望系统具备很好的灵活性和可扩展性，可以考虑使用建造者模式。

建造者模式的优点

建造者模式的主要优点如下：

• (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。
• (2)每一个具体建造者都相对独立，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。由于指挥者类针对抽象建造者编程，增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码，系统扩展方便，符合开闭原则。
• (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。

建造者模式的缺点

建造者模式的主要缺点如下：

• (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，因此其使用范围受到一定的限制。
• (2)如果产品的内部变化复杂，可能会需要定义很多具体建造者类来实现这种变化，导致系统变得很庞大，增加了系统的理解难度和运行成本。

建造者模式的适用环境

在以下情况下可以考虑使用建造者模式：

• (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)需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，将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。

本章小结

(1)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。建造者模式是一种对象创建型模式。

(2)建造者模式包含抽象建造者、具体建造者、产品和指挥者4个角色。其中，抽象建造者为创建一个产品对象的各个部件声明抽象接口；具体建造者实现了抽象建造者接口，实现各个部件的构造和装配方法，定义并明确它所创建的复杂对象，还可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象；产品角色是被构建的复杂对象，包含多个组成部件；指挥者负责安排复杂对象的建造次序，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

(3)在建造者模式中引入了一个指挥者角色，它主要有两个作用：一方面可以隔离客户端与创建过程；另一方面可以控制产品对象的创建过程。

(4)建造者模式的主要优点在于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；可以很方便地替换具体建造者或增加新的具体建造者；还可以更加精细地控制产品的创建过程。其主要缺在于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，并不适合使用建造者模式；此外，如果产品的内部变化复杂，可能会需要定义很多具体建造者类来实现这种变化，导致系统变得很庞大，增加了系统的理解难度和运行成本。

(5)建造者模式适用的环境: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；需要生成的产品对象的属性相互依赖，需要指定其生成顺序；对象的创建过程独立于创建该对象的类；隔离复杂对象的创建和使用，并使相同的创建过程可以创建不同的产品。