小侃设计模式（五）-建造者模式与模板方法模式

news2025/7/7 5:06:52

1.概述

建造者模式（Builder Pattern）又叫生成器模式，是一种对象构建模式，它可以将复杂对象的建造过程抽象出来（抽象类别），这个抽象过程的不同实现方法可以构造出不同表现（属性）的对象。建造者是一步一步创建一个复杂的对象，它允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们，用户不需要知道内部的具体构建细节。模板方法模式是指在一个抽象类中公开定义了执行它的方法的方式/模板，它的子类可以按需要重写方法实现，这是一种行为型模式。这两个模式相似之处在于都需要抽象出共性行为，由子类去实现。本文将详述建造者模式和模板方法模式的概念及使用。

2.建造者模式与模板方法模式

2.1建造者模式

2.1.1 案例

比如我们要组装一台电脑，需要组装的部分包括CPU、主板、屏幕、内存、磁盘、键盘、鼠标等，则会写出如下代码：

public class Computer {

    private String cpu;

    private String memory;

    private String disk;

    private String screen;

    private String mouse;

    private String mainBoard;

    private String keyBoard;

    public String getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(String cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public String getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(String memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public String getDisk() {
        return disk;
    }

    public void setDisk(String disk) {
        this.disk = disk;
    }

    public String getScreen() {
        return screen;
    }

    public void setScreen(String screen) {
        this.screen = screen;
    }

    public String getMouse() {
        return mouse;
    }

    public void setMouse(String mouse) {
        this.mouse = mouse;
    }

    public String getMainBoard() {
        return mainBoard;
    }

    public void setMainBoard(String mainBoard) {
        this.mainBoard = mainBoard;
    }

    public String getKeyBoard() {
        return keyBoard;
    }

    public void setKeyBoard(String keyBoard) {
        this.keyBoard = keyBoard;
    }
}

//创建对象方式如下：
Computer computer = new Computer();
computer.setCpu("M2");
computer.setScreen("mac screen");
......

这种方式写起来不够优雅，创建不同型号电脑时，需要创建不同Computer对象并挨个设置属性，编写了大量冗余代码，造成系统臃肿。
如果利用建造者模式来生成对象，则需要包含四个角色：Product(产品角色)、Builder(抽象建造者)、ConcreteBuilder(具体建造者)、Director(指挥者)。

1.Product（产品角色）：一个具体的产品对象；
2.Builder（抽象建造者）：创建一个Product对象的各个部件指定的接口/抽象类。
3.ConcreteBuilder（具体建造者）：实现接口，构建和装配各个部件；
4.Director（指挥者）：构建一个使用Builder接口的对象。它主要是用于创建一个复杂的对象。它的作用主要有两个，一是隔离客户与对象的生产过程，二是负责控制产品对象的生产过程。

利用建造者模式，定义产品角色：

public class Computer {

    private String cpu;

    private String memory;

    private String disk;

    private String screen;

    private String mouse;

    private String mainBoard;

    private String keyBoard;

    public String getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(String cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public String getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(String memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public String getDisk() {
        return disk;
    }

    public void setDisk(String disk) {
        this.disk = disk;
    }

    public String getScreen() {
        return screen;
    }

    public void setScreen(String screen) {
        this.screen = screen;
    }

    public String getMouse() {
        return mouse;
    }

    public void setMouse(String mouse) {
        this.mouse = mouse;
    }

    public String getMainBoard() {
        return mainBoard;
    }

    public void setMainBoard(String mainBoard) {
        this.mainBoard = mainBoard;
    }

    public String getKeyBoard() {
        return keyBoard;
    }

    public void setKeyBoard(String keyBoard) {
        this.keyBoard = keyBoard;
    }
}

定义抽象建造者：

public abstract class Builder {

    abstract Builder buildScreen(String screen);

    abstract Builder buildMouse(String mouse);

    abstract Builder buildCpu(String cpu);

    abstract Builder buildDisk(String disk);

    abstract Builder buildMemory(String memory);

    abstract Builder buildMainBoard(String mainBoard);

    abstract Builder buildKeyBoard(String keyBoard);

    abstract Computer build();
}

在定义具体的建造者MacBuilder，组装Mac电脑，LenovoBuilder(组装lenov电脑)、ASUSBuilder(组装华硕电脑)等，代码如下：

public class MacBuilder extends Builder {

    private Computer computer = new Computer();

    @Override
    Builder buildScreen(String screen) {
        computer.setScreen(screen);
        System.out.println("组装屏幕" + screen + "成功");
        return this;
    }

    @Override
    Builder buildMouse(String mouse) {
        computer.setMouse(mouse);
        System.out.println("组装鼠标" + mouse + "成功");
        return this;
    }

    @Override
    Builder buildCpu(String cpu) {
        computer.setCpu(cpu);
        System.out.println("组装cpu" + cpu + "成功");
        return this;
    }

    @Override
    Builder buildDisk(String disk) {
        computer.setDisk(disk);
        System.out.println("组装disk" + disk + "成功");
        return this;
    }

    @Override
    Builder buildMemory(String memory) {
        computer.setMemory(memory);
        System.out.println("组装memory" + memory + "成功");
        return this;
    }

    @Override
    Builder buildMainBoard(String mainBoard) {
        computer.setMainBoard(mainBoard);
        System.out.println("组装mainBoard" + mainBoard + "成功");
        return this;
    }

    @Override
    Builder buildKeyBoard(String keyBoard) {
        computer.setKeyBoard(keyBoard);
        System.out.println("组装keyBoard" + keyBoard + "成功");
        return this;
    }

    @Override
    Computer build() {
        System.out.println("电脑组装完成！");
        return computer;
    }
}

具体建造者完成，定义指挥者负责指挥建造：

public class Director {
    Builder builder = null;

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

    public void processMain(String cpu, String disk, String memory, String mainBoard) {
        builder.buildMemory(memory)
                .buildMainBoard(mainBoard)
                .buildCpu(cpu).buildDisk(disk);
    }

    public void processOther(String screen, String mouse, String keyBoard) {
        builder.buildScreen(screen).buildKeyBoard(keyBoard).buildMouse(mouse);
    }

}

测试代码如下：

@Slf4j
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MacBuilder macBuilder = new MacBuilder();
        Director director = new Director(macBuilder);
        director.processMain("M2", "mac", "mac memory", "mac mainBoard");
        Computer build = macBuilder.build();
        log.info("build main:" + JSON.toJSONString(build));

        director.processOther("mac Screen", "mac Mouse", "mac keyBoard");
        Computer build1 = macBuilder.build();
        log.info("build other:" + JSON.toJSONString(build));
    }
}

测试结果如下：
在这里插入图片描述
上述两种方案的对比，建造者模式将对象的创建过程进行了解耦，如果对象属性多，构建发杂，建造者明显可以减少冗余代码的编写。对象的整个创建工作交给了构造器，符合单一原则。类图关系如下：
在这里插入图片描述

2.1.3 建造者模式的注意事项和细节

1.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，而与其它的具体建造者无关，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，用户使用不同地具体建造者即可得到不同地产品对象；
3.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；
4.增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码，指挥者针对抽象建造者类编程，系统扩展方便，符合“开闭原则”；
5.建造者模式所创建的产品一般具有较多共同点，其组成部分相似，如果产品之间差异性较大，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；
6.如果产品的内部变化复杂，可能会导致需要定义较多具体建造者来实现这种变化，这会造成系统代码臃肿，此时需要考虑是否选择建造者模式。

2.1.4 抽象工厂模式和建造者模式的区别

抽象工厂模式实现对产品家族的创建，一个产品家族就是一系列产品：具有不同分类维度的产品组合，采用抽象工厂模式不需要关系构建过程，只关心哪类产品由哪个工厂生产即可。建造者模式是要求按照指定的蓝图建造产品，它的主要目的是通过组装零配件而生成产品。

2.2 模板方法模式

2.2.1 定义

模板方法模式（Template Method Pattern），又叫模板模式（Template
Pattern），在一个抽象类公开定义了执行它的方法的模板，它的子类可以按需要重写方法实现，调用以抽象类中定义的方式进行。简而言之，模板方法模式定义了一个操作中算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中，使得子类可以不改变一个算法的结构，就可以重新定义该算法的某些特定步骤。

2.2.2 案例

举一个建房子的案例，建房子的流程是固定的：设计图纸、打地基、砌墙、结顶。可以定义一个模板方法来实现，如下：

public abstract class BuildHouseTemplate {

    //钩子函数，预留前置可能执行的一些操作
    void before() {
        System.out.println("开始设计之前需要做的事情，比如准备资金，寻找场地");
    }

    //设计
    void design() {
        System.out.println("找设计师设计图纸");
    }

    //抽象方法，打地基，子类实现打地基的材料、方式
    abstract void buildBase();

    //抽象方法，砌墙
    abstract void buildWall();

    //结顶操作
    void roofed() {
        System.out.println("结顶盖瓦");
    }

    //钩子函数，预留后续可能执行的一些操作
    void after() {
        System.out.println("房屋结束之后要做的事情，比如放鞭炮庆祝，请吃席。。。");
    }

    //整体流程确定，不可更改，细节由具体子类根据场景实现
    final void build() {
        before();
        design();
        buildBase();
        buildWall();
        roofed();
        after();
    }
}

建造房屋有多种情形，这里分为建造高楼和普通房子，具体实现如下：

public class HighBuilding extends BuildHouseTemplate {

    @Override
    void before() {
        System.out.println("建造高楼之前需要测量土地性质及地形，周边房屋、电缆情况，确定是否具有影响");
    }

    @Override
    void buildBase() {
        System.out.println("用钢筋混凝土打地基，还有加石头，地基要打深一定");
    }

    @Override
    void buildWall() {
        System.out.println("用玻璃来砌墙，采光好");
    }

    @Override
    void after() {
        System.out.println("高楼建造完成，需要放炮庆祝");
    }
}



public class CommonBuilding extends BuildHouseTemplate{

    @Override
    void before() {
        System.out.println("建造普通房屋，需要先准备资金和邀请人");
    }

    @Override
    void buildBase() {
        System.out.println("普通房子打地基，可以不用很深...");
    }

    @Override
    void buildWall() {
        System.out.println("用多孔砖砌墙，保温还减重...");
    }

    @Override
    void after() {
        System.out.println("普通房屋建造完成，请客吃饭");
    }
}

测试类如下：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        HighBuilding highBuilding = new HighBuilding();
        highBuilding.build();
        System.out.println("--------------------------------------");
        CommonBuilding commonBuilding = new CommonBuilding();
        commonBuilding.build();
    }
}

测试结果如下：
在这里插入图片描述
模板方法一般类图（即案例类图）如下：
在这里插入图片描述

2.2.3 注意事项

1.钩子方法一般默认不做任何事情，子类可以视情况决定是否覆盖；
2.模板方法一般添加final关键字进行修饰，保证子类中该方法不会被修改；
3.模板方法只存在于父类方法中，容易修改，一旦设计修改算法时，只需要修改父类即可；
4.实现了代码的可复用性，父类的一些方法可以直接被子类继承使用；
5.统一了算法，但也提供了灵活性，模板方法保证了算法结构的不变性；
6.模板方法的缺陷在于每个子类都要去实现父类，一定程度上会增加系统中类的个数。

3.小结

1.建造者模式主要用来创建差异不大的对象；
2.模板方法模式则定义完整的实现/流程，不同子类根据情况进行改写具体实现，但算法实施步骤只能存在父类中，且不能被子类修改。

4.参考文献

1.《设计模式-可复用面向对象软件的基础》-Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson、John Vlissides
2.《可复用物联网Web3D框架的设计与实现》-程亮（知网）
3.https://www.bilibili.com/video/BV1G4411c7N4-尚硅谷设计模式

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