1. 建造者模式

1.1 建造者模式

Builder 模式，中文翻译为建造者模式或者构建者模式，也有人叫它生成器模式。

1.1.1 意图

将一个复杂的构建与其表示相分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

1.1.2 主要解决

主要解决在软件系统中，有时候面临着"一个复杂对象"的创建工作，其通常由各个部分的子对象用一定的算法构成；由于需求的变化，这个复杂对象的各个部分经常面临着剧烈的变化，但是将它们组合在一起的算法却相对稳定。

1.1.3 何时使用：

一些基本部件不会变，而其组合经常变化的时候。

将变与不变分离开。

1.1.4 优缺点

优点：

1. 建造者独立，易扩展。
2. 便于控制细节风险。

缺点：

1. 产品必须有共同点，范围有限制。
2. 如内部变化复杂，会有很多的建造类。

1.1.5 使用场景：

1. 需要生成的对象具有复杂的内部结构。
2. 需要生成的对象内部属性本身相互依赖。

1.2 为什么需要建造者模式

在平时的开发中，创建一个对象最常用的方式是，使用 new 关键字调用类的构造函数来完成。我的问题是，什么情况下这种方式就不适用了，就需要采用建造者模式来创建对象呢？你可以先思考一下，下面我通过一个例子来带你看一下。

假设有这样一道设计面试题：我们需要定义一个资源池配置类 ResourcePoolConfig。这里的资源池，你可以简单理解为线程池、连接池、对象池等。在这个资源池配置类中，有以下几个成员变量，也就是可配置项。现在，请你编写代码实现这个 ResourcePoolConfig 类。

成员变量	解释	是否必填写	默认值
name	资源名称	是	没有
maxTotal	最大总资源数量	否	8
maxIdle	最大空闲资源数量	否	8
minIdle	最小空闲资源数量	否	0

只要你稍微有点开发经验，那实现这样一个类对你来说并不是件难事。最常见、最容易想到的实现思路如下代码所示。因为 maxTotal、maxIdle、minIdle 不是必填变量，所以在创建 ResourcePoolConfig 对象的时候，我们通过往构造函数中，给这几个参数传递 null 值，来表示使用默认值。

public class ResourcePoolConfig {
  private static final int DEFAULT_MAX_TOTAL = 8;
  private static final int DEFAULT_MAX_IDLE = 8;
  private static final int DEFAULT_MIN_IDLE = 0;
  private String name;
  private int maxTotal = DEFAULT_MAX_TOTAL;
  private int maxIdle = DEFAULT_MAX_IDLE;
  private int minIdle = DEFAULT_MIN_IDLE;
  public ResourcePoolConfig(String name, Integer maxTotal, Integer maxIdle, Integer minIdle) {
    if (StringUtils.isBlank(name)) {
      throw new IllegalArgumentException("name should not be empty.");
    }
    this.name = name;
    if (maxTotal != null) {
      if (maxTotal <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException("maxTotal should be positive.");
      }
      this.maxTotal = maxTotal;
    }
    if (maxIdle != null) {
      if (maxIdle < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("maxIdle should not be negative.");
      }
      this.maxIdle = maxIdle;
    }
    if (minIdle != null) {
      if (minIdle < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("minIdle should not be negative.");
      }
      this.minIdle = minIdle;
    }
  }
  //...省略getter方法...
}

现在，ResourcePoolConfig 只有 4 个可配置项，对应到构造函数中，也只有 4 个参数，参数的个数不多。但是，如果可配置项逐渐增多，变成了 8 个、10 个，甚至更多，那继续沿用现在的设计思路，构造函数的参数列表会变得很长，代码在可读性和易用性上都会变差。在使用构造函数的时候，我们就容易搞错各参数的顺序，传递进错误的参数值，导致非常隐蔽的 bug。

// 参数太多，导致可读性差、参数可能传递错误
ResourcePoolConfig config = new ResourcePoolConfig("dbconnectionpool", 16, null, 8, null, false , true, 10, 20，false， true);

解决这个问题的办法你应该也已经想到了，那就是用 set() 函数来给成员变量赋值，以替代冗长的构造函数。我们直接看代码，具体如下所示。其中，配置项 name 是必填的，所以我们把它放到构造函数中设置，强制创建类对象的时候就要填写。其他配置项 maxTotal、maxIdle、minIdle 都不是必填的，所以我们通过 set() 函数来设置，让使用者自主选择填写或者不填写。

public class ResourcePoolConfig {
  private static final int DEFAULT_MAX_TOTAL = 8;
  private static final int DEFAULT_MAX_IDLE = 8;
  private static final int DEFAULT_MIN_IDLE = 0;
  private String name;
  private int maxTotal = DEFAULT_MAX_TOTAL;
  private int maxIdle = DEFAULT_MAX_IDLE;
  private int minIdle = DEFAULT_MIN_IDLE;
  
  public ResourcePoolConfig(String name) {
    if (StringUtils.isBlank(name)) {
      throw new IllegalArgumentException("name should not be empty.");
    }
    this.name = name;
  }
  public void setMaxTotal(int maxTotal) {
    if (maxTotal <= 0) {
      throw new IllegalArgumentException("maxTotal should be positive.");
    }
    this.maxTotal = maxTotal;
  }
  public void setMaxIdle(int maxIdle) {
    if (maxIdle < 0) {
      throw new IllegalArgumentException("maxIdle should not be negative.");
    }
    this.maxIdle = maxIdle;
  }
  public void setMinIdle(int minIdle) {
    if (minIdle < 0) {
      throw new IllegalArgumentException("minIdle should not be negative.");
    }
    this.minIdle = minIdle;
  }
  //...省略getter方法...
}

接下来，我们来看新的 ResourcePoolConfig 类该如何使用。如下所示。没有了冗长的函数调用和参数列表，代码在可读性和易用性上提高了很多。

// ResourcePoolConfig使用举例
ResourcePoolConfig config = new ResourcePoolConfig("dbconnectionpool");
config.setMaxTotal(16);
config.setMaxIdle(8);

至此，我们仍然没有用到建造者模式，通过构造函数设置必填项，通过 set() 方法设置可选配置项，就能实现我们的设计需求。如果我们把问题的难度再加大点，比如，还需要解决下面这三个问题，那现在的设计思路就不能满足了。

• name 是必填的，所以，我们把它放到构造函数中，强制创建对象的时候就设置。如果必填的配置项有很多，把这些必填配置项都放到构造函数中设置，那构造函数就又会出现参数列表很长的问题。如果我们把必填项也通过 set() 方法设置，那校验这些必填项是否已经填写的逻辑就无处安放了。
• 除此之外，假设配置项之间有一定的依赖关系，比如，如果用户设置了 maxTotal、maxIdle、minIdle 其中一个，就必须显式地设置另外两个；或者配置项之间有一定的约束条件，比如，maxIdle 和 minIdle 要小于等于 maxTotal。如果我们继续使用现在的设计思路，那这些配置项之间的依赖关系或者约束条件的校验逻辑就无处安放了。
• 如果我们希望 ResourcePoolConfig 类对象是不可变对象，也就是说，对象在创建好之后，就不能再修改内部的属性值。要实现这个功能，我们就不能在 ResourcePoolConfig 类中暴露 set() 方法。

为了解决这些问题，建造者模式就派上用场了。

我们可以把校验逻辑放置到 Builder 类中，先创建建造者，并且通过 set() 方法设置建造者的变量值，然后再使用 build() 方法真正创建对象之前，做集中的校验，校验通过之后才会创建对象。除此之外，我们把 ResourcePoolConfig 的构造函数改为 private 私有权限。这样我们就只能通过建造者来创建 ResourcePoolConfig 类对象。并且，ResourcePoolConfig 没有提供任何 set() 方法，这样我们创建出来的对象就是不可变对象了。

1.3 使用建造者模式实现

我们用建造者模式重新实现了上面的需求，具体的代码如下所示：

public class ResourcePoolConfig {
  private String name;
  private int maxTotal;
  private int maxIdle;
  private int minIdle;
  private ResourcePoolConfig(Builder builder) {
    this.name = builder.name;
    this.maxTotal = builder.maxTotal;
    this.maxIdle = builder.maxIdle;
    this.minIdle = builder.minIdle;
  }
  //...省略getter方法...
  
  //我们将Builder类设计成了ResourcePoolConfig的内部类。
  //我们也可以将Builder类设计成独立的非内部类ResourcePoolConfigBuilder。
  public static class Builder {
    private static final int DEFAULT_MAX_TOTAL = 8;
    private static final int DEFAULT_MAX_IDLE = 8;
    private static final int DEFAULT_MIN_IDLE = 0;
    private String name;
    private int maxTotal = DEFAULT_MAX_TOTAL;
    private int maxIdle = DEFAULT_MAX_IDLE;
    private int minIdle = DEFAULT_MIN_IDLE;
      
    public ResourcePoolConfig build() {
      // 校验逻辑放到这里来做，包括必填项校验、依赖关系校验、约束条件校验等
      if (StringUtils.isBlank(name)) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      if (maxIdle > maxTotal) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      if (minIdle > maxTotal || minIdle > maxIdle) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      return new ResourcePoolConfig(this);
    }
      
    public Builder setName(String name) {
      if (StringUtils.isBlank(name)) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.name = name;
      return this;
    }
    public Builder setMaxTotal(int maxTotal) {
      if (maxTotal <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.maxTotal = maxTotal;
      return this;
    }
    public Builder setMaxIdle(int maxIdle) {
      if (maxIdle < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.maxIdle = maxIdle;
      return this;
    }
    public Builder setMinIdle(int minIdle) {
      if (minIdle < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.minIdle = minIdle;
      return this;
    }
  }
}

// 这段代码会抛出IllegalArgumentException，因为minIdle>maxIdle
ResourcePoolConfig config = new ResourcePoolConfig.Builder()
        .setName("dbconnectionpool")
        .setMaxTotal(16)
        .setMaxIdle(10)
        .setMinIdle(12)
        .build();

实际上，使用建造者模式创建对象，还能避免对象存在无效状态。我再举个例子解释一下。比如我们定义了一个长方形类，如果不使用建造者模式，采用先创建后 set 的方式，那就会导致在第一个 set 之后，对象处于无效状态。具体代码如下所示：

Rectangle r = new Rectange(); // 创建一个长方形的对象，此时该长方形没有长或宽
r.setWidth(2); // 通过set 设置长方形的宽度，此时长方形没有长度
r.setLength(3); // 通过set 设置长方形的长度，此时长方形才是真正意义上的长方形

为了避免这种无效状态的存在，我们就需要使用构造函数一次性初始化好所有的成员变量。如果构造函数参数过多，我们就需要考虑使用建造者模式，先设置建造者的变量，然后再一次性地创建对象，让对象一直处于有效状态。

实际上，如果我们并不是很关心对象是否有短暂的无效状态，也不是太在意对象是否是可变的。比如，对象只是用来映射数据库读出来的数据，那我们直接暴露 set() 方法来设置类的成员变量值是完全没问题的。而且，使用建造者模式来构建对象，代码实际上是有点重复的，ResourcePoolConfig 类中的成员变量，要在 Builder 类中重新再定义一遍。

2 一个Demo

2.1 需求

1. 需要创建房子：这个过程为打桩，砌墙，封顶
2. 房子有各种各样的，比如普通房，高楼，别墅，各种房子的过程一样，但是要求不相同

2.2 实现

package com.evan.builder.demo;

/**
 * @Description
 * @ClassName AbstractHouse
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 13:28
 */
public abstract class AbstractHouse {

    // 打地基
    public abstract void buildBasic();

    // 砌墙
    public abstract void buildWalls();

    //封顶
    public abstract void rootfed();

    public void build() {
        buildBasic();
        buildWalls();
        rootfed();
    }
}

package com.evan.builder.demo;

/**
 * @Description
 * @ClassName CommonHouse
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 13:31
 */
public class CommonHouse extends AbstractHouse{
    @Override
    public void buildBasic() {
        System.out.println("普通房子打地基");
    }

    @Override
    public void buildWalls() {
        System.out.println("普通房子砌墙");
    }

    @Override
    public void rootfed() {
        System.out.println("普通房子封顶");
    }
}

package com.evan.builder.demo;

/**
 * @Description
 * @ClassName Client
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 13:35
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        CommonHouse commonHouse = new CommonHouse();
        commonHouse.build();
    }
}

2.3 分析

1. 优点是比较好理解，简单易操作
2. 设计的程序结构过于简单，没有设计缓冲层对象，程序的扩展和维护不好，也就是说这种设计方案，把产品（即房子）和创建产品的过程（建设房子的流程）封装在一起，耦合性增强了
3. 解决方案：将产品和产品建造过程解耦=> 建造者模式

3 建造者模式

3.1 介绍

1. 建造者模式(Builder Pattermn)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) ,使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。
2. 建造者模式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。

3.2 建造者模式的四个角色

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/抽类

3. ConoreteBulder (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。它主要有两个作用,一是:隔离了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。

package com.evan.builder.improve;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;

/**
 * @Description 
 * @ClassName House
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 13:58
 */
@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class House {
    // 地基
    private String base;
    // 墙壁
    private String wall;
    // 封顶
    private String roofed;
}

package com.evan.builder.improve;

/**
 * @Description
 * @ClassName Builder
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 14:00
 */
// 抽象的建造者
public abstract class Builder {

    protected House house = new House();

    // 将建造流程写好 抽象方法
    // 打地基
    public abstract void buildBasic();
    // 砌墙
    public abstract void buildWalls();
    //封顶
    public abstract void rootfed();

    // 建造房子
    public House buildHouse(){
        return house;
    }
}

package com.evan.builder.improve;

/**
 * @Description
 * @ClassName CommonHouse
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 14:04
 */
public class CommonHouse extends Builder {
    @Override
    public void buildBasic() {
        System.out.println("普通房子打地基");
    }

    @Override
    public void buildWalls() {
        System.out.println("普通房子砌墙");
    }

    @Override
    public void rootfed() {
        System.out.println("普通房子封顶");
    }
}

package com.evan.builder.improve;

/**
 * @Description
 * @ClassName HighBUilding
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 14:06
 */
public class HighBUilding extends Builder {
    @Override
    public void buildBasic() {
        System.out.println("高楼打地基1000米");
    }

    @Override
    public void buildWalls() {
        System.out.println("高楼砌墙 100米");
    }

    @Override
    public void rootfed() {
        System.out.println("高楼封顶 透明");
    }
}

package com.evan.builder.improve;

/**
 * @Description
 * @ClassName HouseDiector
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 14:09
 */
public class HouseDiector {

    Builder houseBuilder;

    public HouseDiector(Builder houseBuilder) {
        this.houseBuilder = houseBuilder;
    }

    public void setHouseBuilder(Builder houseBuilder) {
        this.houseBuilder = houseBuilder;
    }


    //  如何处理建造房子的流程，交给指挥者处理
    public House constructHouse(){
        houseBuilder.buildBasic();
        houseBuilder.buildWalls();
        houseBuilder.rootfed();
        return houseBuilder.buildHouse();
    }

}

package com.evan.builder.improve;

/**
 * @Description
 * @ClassName Client
 * @Author Evan
 * @date 2019.11.30 14:17
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 改普通房
        CommonHouse commonHouse = new CommonHouse();
        // 准备创建房子的指挥者
        HouseDiector handler = new HouseDiector(commonHouse);
        // 完成盖房子，并返回
        House house = handler.constructHouse();

    }
}

3.3 建造者模式的注意事项和细节

1. 客户端(使用程序)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
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,指挥者类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的共同点,其组成部分相似,如果产品之间的差异性很大,则不适合使用建进者模式,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很多具体建造者类来实现这种变化,导致系统变得很庞大,因此在这种情况下,要考虑是否选择建适者模式
7. 抽象工厂模式VS建适者模式 抽象工厂模式实现对产品家族的创建,一个产品家族是这样的一系列产品:具有不 同分类维的产品组合,采用抽象工厂模式不需要关心构建过程,只关心什么产品由什么工厂生产即可。而建造者模式则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产生一个新产品

4 与工厂模式有何区别

从上面的讲解中，我们可以看出，建造者模式是让建造者类来负责对象的创建工作。工厂模式，是由工厂类来负责对象创建的工作。那它们之间有什么区别呢？

实际上，工厂模式是用来创建不同但是相关类型的对象（继承同一父类或者接口的一组子类），由给定的参数来决定创建哪种类型的对象。建造者模式是用来创建一种类型的复杂对象，通过设置不同的可选参数，“定制化”地创建不同的对象。

网上有一个经典的例子很好地解释了两者的区别。

顾客走进一家餐馆点餐，我们利用工厂模式，根据用户不同的选择，来制作不同的食物，比如披萨、汉堡、沙拉。对于披萨来说，用户又有各种配料可以定制，比如奶酪、西红柿、起司，我们通过建造者模式根据用户选择的不同配料来制作披萨。

与工厂模式的区别是：建造者模式更加关注与零件装配的顺序。

4.1 何时使用建造者模式

建造者模式的原理和实现比较简单，重点是掌握应用场景，避免过度使用。

如果一个类中有很多属性，为了避免构造函数的参数列表过长，影响代码的可读性和易用性，我们可以通过构造函数配合 set() 方法来解决。但是，如果存在下面情况中的任意一种，我们就要考虑使用建造者模式了。

• 我们把类的必填属性放到构造函数中，强制创建对象的时候就设置。如果必填的属性有很多，把这些必填属性都放到构造函数中设置，那构造函数就又会出现参数列表很长的问题。如果我们把必填属性通过 set() 方法设置，那校验这些必填属性是否已经填写的逻辑就无处安放了。
• 如果类的属性之间有一定的依赖关系或者约束条件，我们继续使用构造函数配合 set() 方法的设计思路，那这些依赖关系或约束条件的校验逻辑就无处安放了。
• 如果我们希望创建不可变对象，也就是说，对象在创建好之后，就不能再修改内部的属性值，要实现这个功能，我们就不能在类中暴露 set() 方法。构造函数配合 set() 方法来设置属性值的方式就不适用了。