设计模式系列（07）：建造者模式（Builder）

本文为设计模式系列第7篇，聚焦创建型模式中的建造者模式，涵盖定义、原理、实际业务场景、优缺点、最佳实践及详细代码示例，适合系统学习与实战应用。

目录

  • 1. 模式概述
  • 2. 使用场景
  • 3. 优缺点分析
  • 4. 实际应用案例
  • 5. 结构与UML类图
  • 6. 代码示例
  • 7. 测试用例
  • 8. 常见误区与反例
  • 9. 最佳实践
  • 10. 参考资料与延伸阅读

1. 模式概述

建造者模式（Builder Pattern）是一种创建型设计模式。它将复杂对象的构建与表示分离，使同样的构建过程可以创建不同的表示。适用于需要分步骤、可定制、部件复杂的对象创建。

1.1 定义

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。

1.2 目的

  • 分离构建过程与表示，支持灵活扩展
  • 简化复杂对象的创建，隐藏细节
  • 支持多种产品配置和复用

2. 使用场景

建造者模式在实际开发中应用广泛，常见场景包括：

  1. 复杂对象组装：如汽车、电脑、房屋等多部件组装，步骤复杂且可定制。
  2. 文档/报表生成：如HTML、PDF、Word等多格式文档的分步生成。
  3. UI表单/界面构建：如动态表单、复杂界面分步渲染。
  4. 配置对象创建：如系统配置、网络配置等参数众多且组合灵活的对象。

真实业务背景举例：

  • 电商平台订单对象包含商品、收货、支付、优惠等多个可选部件，建造者模式可灵活组装。
  • SaaS平台支持多种报表格式导出，建造者模式可统一流程、灵活扩展。
  • 游戏角色装备、技能、属性等复杂对象，建造者模式便于分步构建和扩展。

3. 优缺点分析

3.1 优点

  1. 封装性：隐藏构建细节，客户端无需关心内部实现。
  2. 灵活性：支持不同产品配置和多种表示。
  3. 可维护性：构建过程独立，便于扩展和维护。

3.2 缺点

  1. 类数量增加：每种产品/部件都需建造者类，结构复杂。
  2. 适用范围有限：只适用于部件复杂、构建过程稳定的对象。
  3. 构建过程固定：如步骤变化大，需频繁修改建造者接口。

4. 实际应用案例

  1. 订单对象组装：商品、收货、支付、优惠等分步组装。
  2. 报表/文档生成：多格式报表、文档的统一生成流程。
  3. 汽车/电脑组装：多部件、可选配置的复杂对象。
  4. UI表单构建：动态表单、复杂界面分步渲染。

5. 结构与UML类图

@startuml
package "Builder Pattern" #DDDDDD {class Computer {+ setCpu(cpu: String): void+ setRam(ram: String): void+ setStorage(storage: String): void+ setGpu(gpu: String): void}interface ComputerBuilder {+ buildCpu(): void+ buildRam(): void+ buildStorage(): void+ buildGpu(): void+ getResult(): Computer}class GamingComputerBuilder implements ComputerBuilderclass OfficeComputerBuilder implements ComputerBuilderclass ComputerEngineer {- builder: ComputerBuilder+ constructComputer(): void}ComputerBuilder <|.. GamingComputerBuilderComputerBuilder <|.. OfficeComputerBuilderComputerEngineer o-- ComputerBuilder : builderGamingComputerBuilder --> Computer : getResult()OfficeComputerBuilder --> Computer : getResult()
}
@enduml

6. 代码示例

6.1 基本结构示例

业务背景： 电脑组装业务，支持多种配置，分步构建。

// 产品类：电脑
package com.example.patterns.builder;import java.util.Objects;
import java.util.StringJoiner;public class Computer {private String cpu;private String ram;private String storage;private String gpu;public void setCpu(String cpu) { this.cpu = Objects.requireNonNull(cpu, "CPU cannot be null"); }public void setRam(String ram) { this.ram = Objects.requireNonNull(ram, "RAM cannot be null"); }public void setStorage(String storage) { this.storage = Objects.requireNonNull(storage, "Storage cannot be null"); }public void setGpu(String gpu) { this.gpu = Objects.requireNonNull(gpu, "GPU cannot be null"); }// 改进的toString方法@Overridepublic String toString() {return new StringJoiner(", ", "Computer{", "}").add("cpu='" + cpu + "'").add("ram='" + ram + "'").add("storage='" + storage + "'").add("gpu='" + gpu + "'").toString();}// 添加equals和hashCode方法，便于测试@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;Computer computer = (Computer) o;return Objects.equals(cpu, computer.cpu) &&Objects.equals(ram, computer.ram) &&Objects.equals(storage, computer.storage) &&Objects.equals(gpu, computer.gpu);}@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(cpu, ram, storage, gpu);}
}// 抽象建造者
public interface ComputerBuilder {void buildCpu();void buildRam();void buildStorage();void buildGpu();Computer getResult();// 添加重置方法，支持builder复用default void reset() {// 子类可以重写此方法实现重置逻辑}
}// 游戏电脑建造者
public class GamingComputerBuilder implements ComputerBuilder {private Computer computer = new Computer();@Overridepublic void buildCpu() { computer.setCpu("Intel i9-13900K"); }@Overridepublic void buildRam() { computer.setRam("32GB DDR5"); }@Overridepublic void buildStorage() { computer.setStorage("2TB NVMe SSD"); }@Overridepublic void buildGpu() { computer.setGpu("NVIDIA RTX 4090"); }@Overridepublic Computer getResult() { return computer; }@Overridepublic void reset() {computer = new Computer();}
}// 办公电脑建造者
public class OfficeComputerBuilder implements ComputerBuilder {private Computer computer = new Computer();@Overridepublic void buildCpu() { computer.setCpu("Intel i5-13600K"); }@Overridepublic void buildRam() { computer.setRam("16GB DDR4"); }@Overridepublic void buildStorage() { computer.setStorage("1TB SATA SSD"); }@Overridepublic void buildGpu() { computer.setGpu("Intel UHD Graphics"); }@Overridepublic Computer getResult() { return computer; }@Overridepublic void reset() {computer = new Computer();}
}// 组装工程师（导演类）
public class ComputerEngineer {private ComputerBuilder builder;public ComputerEngineer(ComputerBuilder builder) { this.builder = Objects.requireNonNull(builder, "Builder cannot be null"); }public void constructComputer() {builder.reset(); // 确保从干净状态开始builder.buildCpu();builder.buildRam();builder.buildStorage();builder.buildGpu();}// 添加部分构建方法，支持定制化public void constructBasicComputer() {builder.reset();builder.buildCpu();builder.buildRam();builder.buildStorage();// 不添加独显}
}// 客户端示例
public class Client {public static void main(String[] args) {try {// 创建游戏电脑ComputerBuilder gamingBuilder = new GamingComputerBuilder();ComputerEngineer gamingEngineer = new ComputerEngineer(gamingBuilder);gamingEngineer.constructComputer();Computer gamingComputer = gamingBuilder.getResult();System.out.println("Gaming Computer: " + gamingComputer);// 创建办公电脑ComputerBuilder officeBuilder = new OfficeComputerBuilder();ComputerEngineer officeEngineer = new ComputerEngineer(officeBuilder);officeEngineer.constructComputer();Computer officeComputer = officeBuilder.getResult();System.out.println("Office Computer: " + officeComputer);} catch (Exception e) {System.err.println("Failed to build computer: " + e.getMessage());}}// 总结：通过建造者模式，客户端可灵活组装不同配置电脑，便于扩展和维护。
}

6.2 实际业务场景：订单对象建造者

业务背景： 电商平台订单对象包含商品、收货、支付、优惠等多个可选部件，建造者模式可灵活组装。

// 订单对象
package com.example.patterns.builder.order;import java.math.BigDecimal;
import java.util.Objects;
import java.util.StringJoiner;public class Order {private String product;private String address;private String payment;private String discount;private BigDecimal amount; // 添加金额字段public void setProduct(String product) { this.product = product; }public void setAddress(String address) { this.address = address; }public void setPayment(String payment) { this.payment = payment; }public void setDiscount(String discount) { this.discount = discount; }public void setAmount(BigDecimal amount) { this.amount = amount; }public String getProduct() { return product; }public String getAddress() { return address; }public String getPayment() { return payment; }public String getDiscount() { return discount; }public BigDecimal getAmount() { return amount; }// 校验订单是否有效public boolean isValid() {return product != null && !product.trim().isEmpty() &&address != null && !address.trim().isEmpty() &&payment != null && !payment.trim().isEmpty() &&amount != null && amount.compareTo(BigDecimal.ZERO) > 0;}@Overridepublic String toString() {return new StringJoiner(", ", "Order{", "}").add("product='" + product + "'").add("address='" + address + "'").add("payment='" + payment + "'").add("discount='" + discount + "'").add("amount=" + amount).toString();}@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;Order order = (Order) o;return Objects.equals(product, order.product) &&Objects.equals(address, order.address) &&Objects.equals(payment, order.payment) &&Objects.equals(discount, order.discount) &&Objects.equals(amount, order.amount);}@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(product, address, payment, discount, amount);}
}// 订单建造者
public class OrderBuilder {private Order order = new Order();public OrderBuilder product(String product) { if (product == null || product.trim().isEmpty()) {throw new IllegalArgumentException("Product cannot be null or empty");}order.setProduct(product); return this; }public OrderBuilder address(String address) { if (address == null || address.trim().isEmpty()) {throw new IllegalArgumentException("Address cannot be null or empty");}order.setAddress(address); return this; }public OrderBuilder payment(String payment) { if (payment == null || payment.trim().isEmpty()) {throw new IllegalArgumentException("Payment method cannot be null or empty");}order.setPayment(payment); return this; }public OrderBuilder discount(String discount) { // 折扣是可选的，允许nullorder.setDiscount(discount); return this; }public OrderBuilder amount(BigDecimal amount) {if (amount == null || amount.compareTo(BigDecimal.ZERO) <= 0) {throw new IllegalArgumentException("Amount must be positive");}order.setAmount(amount);return this;}// 便捷方法，接受double类型public OrderBuilder amount(double amount) {return amount(BigDecimal.valueOf(amount));}public Order build() { if (!order.isValid()) {throw new IllegalStateException("Order is not valid. Missing required fields.");}return order; }// 重置建造者，支持复用public OrderBuilder reset() {order = new Order();return this;}
}// 客户端示例
public class OrderClient {public static void main(String[] args) {try {// 创建完整订单Order order = new OrderBuilder().product("iPhone 15 Pro").address("上海市浦东新区").payment("微信支付").discount("满1000减100").amount(8999.00).build();System.out.println("订单信息: " + order);// 创建无折扣订单Order simpleOrder = new OrderBuilder().product("MacBook Pro").address("北京市朝阳区").payment("支付宝").amount(15999.00).build();System.out.println("简单订单: " + simpleOrder);} catch (IllegalArgumentException | IllegalStateException e) {System.err.println("订单创建失败: " + e.getMessage());}}// 总结：通过链式建造者和参数校验，订单对象组装更安全，代码简洁易维护。
}

7. 测试用例

业务背景： 验证电脑建造者和订单建造者的核心功能与多实现切换。

public class BuilderPatternTest {@Testpublic void testGamingComputer() {ComputerBuilder builder = new GamingComputerBuilder();ComputerEngineer engineer = new ComputerEngineer(builder);// 构建游戏电脑engineer.constructComputer();Computer computer = builder.getResult();// 验证游戏电脑配置String computerStr = computer.toString();assertTrue(computerStr.contains("Intel i9-13900K"));assertTrue(computerStr.contains("32GB DDR5"));assertTrue(computerStr.contains("NVIDIA RTX 4090"));}@Testpublic void testOfficeComputer() {ComputerBuilder builder = new OfficeComputerBuilder();ComputerEngineer engineer = new ComputerEngineer(builder);// 构建办公电脑engineer.constructComputer();Computer computer = builder.getResult();// 验证办公电脑配置String computerStr = computer.toString();assertTrue(computerStr.contains("Intel i5-13600K"));assertTrue(computerStr.contains("16GB DDR4"));assertTrue(computerStr.contains("Intel UHD Graphics"));}@Testpublic void testOrderBuilder() {// 测试链式建造者Order order = new OrderBuilder().product("iPhone 15 Pro").address("上海市浦东新区").payment("微信支付").discount("满1000减100").amount(8999.00).build();assertEquals("iPhone 15 Pro", order.getProduct());assertEquals("微信支付", order.getPayment());assertTrue(order.isValid());}@Testpublic void testDifferentBuilders() {// 测试不同建造者产生不同结果ComputerBuilder gamingBuilder = new GamingComputerBuilder();ComputerBuilder officeBuilder = new OfficeComputerBuilder();ComputerEngineer engineer1 = new ComputerEngineer(gamingBuilder);ComputerEngineer engineer2 = new ComputerEngineer(officeBuilder);engineer1.constructComputer();engineer2.constructComputer();Computer gamingComputer = gamingBuilder.getResult();Computer officeComputer = officeBuilder.getResult();// 验证两台电脑配置不同assertNotEquals(gamingComputer.toString(), officeComputer.toString());}
}

8. 常见误区与反例

  • 误区1 ：导演类（Director）过度复杂。
    如构建逻辑过多应拆分，避免导演类膨胀。
  • 误区2 ：建造者接口设计不清晰。
    应保证步骤明确、职责单一。
  • 反例 ：客户端直接操作产品部件。
    应通过建造者接口组装，避免高耦合。

9. 最佳实践

  1. 接口设计 ：建造者接口要简洁，步骤明确，便于扩展和维护。
  2. 工厂与建造者结合 ：复杂对象可结合工厂方法和建造者模式，提升灵活性。
  3. 链式调用 ：对于参数较多的对象，推荐链式建造者，提升可读性。
  4. 异常与校验 ：建造过程应妥善处理参数校验和异常。
  5. 文档和UML同步 ：保持文档、UML和代码示例一致，便于团队协作。

10. 参考资料与延伸阅读

  • 《设计模式：可复用面向对象软件的基础》GoF
  • Effective Java（中文版）
  • https://refactoringguru.cn/design-patterns/builder
  • https://www.baeldung.com/java-builder-pattern

本文为设计模式系列第7篇，后续每篇将聚焦一个设计模式或设计原则，深入讲解实现与应用，敬请关注。

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