设计模式(4) 建造者模式

• 什么是建造者模式
• 经典建造者模式的优缺点
• 对建造者模式的扩展

什么是建造者模式

建造者模式将一个复杂的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。创建者模式隐藏了复杂对象的创建过程，它把复杂对象的创建过程加以抽象，通过子类继承或者重载的方式，动态的创建具有复合属性的对象。
虽然与工厂模式、抽象工厂模式、单件模式同为创建型模式，但建造者模式与之前学习的模式相比，更为关注创建过程的细节，它一般用于创建复杂对象，从独立创建每个部分到最后的组装，它承担每个步骤的工作。由于它把创建每个部分都独立为一个单一的过程，因此不仅可以完成较为精细的创建，还可以根据创建步骤编排，生成不同的目标实例。
GOF对建造者模式的描述是：
Separate the construction of a complex object from its representation so that the same construction process can create different representations..
— Design Patterns : Elements of Reusable Object-Oriented Software

创建者模式非常适用于产品局部加工过程变化较大，但组装过程相对固定的场景。
比如电脑的组装，基本的组装过程是固定的，但是具体主板、CPU、显卡、内存、硬盘等选择的品牌和型号可能差异很大；还有汽车的生产也是这样，整体组装过程基本相同，但不同品牌、价格的汽车在具体部件上差异很大。

其UML类图如下：

其中包括三个角色：

• IBuilder：负责描述创建一个产品各个组成的抽象接口。
• Concrete Builder：实现IBuilder要求的内容，并且提供一个获得产品的方法。
• Director：基于IBuilder定义的构造产品的抽象步骤，指导Concrete Builder生成产品的过程。

这里的产品类型并没有统一的IProduct接口，主要是因为经过不同ConcreteBuilder加工后的产品差别相对较大，给它一个公共的基准抽象对象意义不大，

代码实现：

public class House
{
    public void AddWindowAndDoor() { }
    public void AddWallAndFloor() { }
    public void AddCeiling() { }
}

public class Car
{
    public void AddWheel() { }
    public void AddEngine() { }
    public void AddBody() { }
}

public interface IBuilder
{
    void BuildPart1();
    void BuildPart2();
    void BuildPart3();
}

public class CarBuilder : IBuilder
{
    private Car car;
    public void BuildPart1()
    {
        car.AddEngine();
    }
    public void BuildPart2()
    {
        car.AddWheel();
    }
    public void BuildPart3()
    {
        car.AddBody();
    }
}

public class HouseBuilder : IBuilder
{
    private House house;
    public void BuildPart1()
    {
        house.AddWallAndFloor();
    }
    public void BuildPart2()
    {
        house.AddCeiling();
    }
    public void BuildPart3()
    {
        house.AddWindowAndDoor();
    }
}

public class Director
{
    public void Construct(IBuilder builder)
    {
        builder.BuildPart1();
        builder.BuildPart2();
        builder.BuildPart3();
    }
}

调用：

[Test]
public void BuilderTest()
{
    Director director = new Director();
    CarBuilder carBuilder = new CarBuilder();
    HouseBuilder houseBuilder = new HouseBuilder();

    director.Construct(carBuilder);
    director.Construct(houseBuilder);

    Assert.AreEqual(typeof(Car), carBuilder.Car.GetType());
    Assert.AreEqual(typeof(House), houseBuilder.House.GetType());
}

经典建造者模式的优缺点

• 优点：创建者模式将复杂对象的每个组成创建步骤暴露出来，借助Director（或客户程序自己）既可以选择其执行次序，也可以选择要执行哪些步骤。上述过程可以在应用中动态完成，相比较工厂方法和抽象工厂模式的一次性创建过程而言，创建者模式适合创建“更为复杂且每个组成变化较多”的类型。
• 缺点：但建造者模式也存在一些缺点，比如正因为会暴露出更多的执行步骤，这就需要需要Director（或客户程序）具有更多的领域知识，使用不慎很容易造成相对更为紧密的耦合。

而且经典建造者中IBuilder定义了数目固定的装配动作，而Director有把这些动作的执行顺序也固定了，虽然建造者模式可以生产差异非常大的产品，但要求这些产品具有固定的装配步骤，这就大大局限了这种模式的使用场景，因为现实中这样的要求往往很难满足。不同的产品往往具有数目不同的装配动作和次序，如果要把这样的产品添加到建造者的生产列表中是做不到的，需要另外实现一套，改动比较大。

对建造者模式的扩展

上述问题可以通过对经典模式适当优化来解决。
IBuilder中定义的不同步骤可以进一步抽象为一个Action，CarBuilder和HouseBuilder的代码也很相似，可以提取一个基类，这部分代码放在基类中。
代码如下：

public interface IBuilder<T> where T : class, new()
{
    T BuildUp();
}

public abstract class BuilderBase<T> : IBuilder<T> where T : class, new()
{
    protected IList<Action> steps = new List<Action>();

    protected T product = new T();
    public virtual T BuildUp()
    {
        foreach (Action step in steps)
        {
            step();
        }
        return product;
    }
}

public class ConcreteCarBuilder : BuilderBase<Car>
{
    public ConcreteCarBuilder() : base()
    {
        steps.Add(product.AddEngine);
        steps.Add(product.AddWheel);
        steps.Add(product.AddBody);
    }
}

public class ConcreteHouseBuilder : BuilderBase<House>
{
    public ConcreteHouseBuilder() : base()
    {
        steps.Add(product.AddWallAndFloor);
        steps.Add(product.AddCeiling);
        steps.Add(product.AddWindowAndDoor);
    }
}

实体Builder兼做Director，具体的构建步骤由实体Builder来决定，这样做的好处是非常灵活，不同的Builder可以有不同数目的动作，动作的顺序也可以自行安排。

调用：

[Test]
public void DelegateBuilderTest()
{
    IBuilder<Car> builder = new ConcreteCarBuilder();
    var product = builder.BuildUp();
    Assert.AreEqual(typeof(Car), product.GetType());

    IBuilder<House> builder1 = new ConcreteHouseBuilder();
    var product1 = builder1.BuildUp();
    Assert.AreEqual(typeof(House), product1.GetType());
}

参考书籍：
王翔著 《设计模式——基于C#的工程化实现及扩展》