设计模式 | 建造者模式及典型应用
本文目录
- 建造者模式
- 角色
- 示例
- 建造者模式总结
- 建造者模式的典型应用和源码分析
- java.lang.StringBuilder 中的建造者模式
- java.lang.StringBuffer 中的建造者方法
- Google Guava 中的建造者模式
- mybatis 中的建造者模式
建造者模式
建造者模式(Builder Pattern):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。
建造者模式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。
角色
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(),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。
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,定义并明确它所创建的复杂对象,也可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象。
Product(产品角色):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。
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。
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,复杂对象是指那些包含多个成员属性的对象,这些成员属性也称为部件或零件,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
示例
产品角色 Computer
public class Computer {private String brand;private String cpu;private String mainBoard;private String hardDisk;private String displayCard;private String power;private String memory;// 省略 getter, setter, toString
}
抽象建造者 builder
public abstract class Builder {protected Computer computer = new Computer();public abstract void buildBrand();public abstract void buildCPU();public abstract void buildMainBoard();public abstract void buildHardDisk();public abstract void buildDisplayCard();public abstract void buildPower();public abstract void buildMemory();public Computer createComputer() {return computer;}
}
具体建造者 DellComputerBuilder
,ASUSComputerBuilder
,分别建造戴尔电脑和华硕电脑
public class DellComputerBuilder extends Builder {@Overridepublic void buildBrand() {computer.setBrand("戴尔电脑");}@Overridepublic void buildCPU() {computer.setCpu("i5-8300H 四核");}@Overridepublic void buildMainBoard() {computer.setMainBoard("戴尔主板");}@Overridepublic void buildHardDisk() {computer.setHardDisk("1T + 128GB SSD");}@Overridepublic void buildDisplayCard() {computer.setDisplayCard("GTX1060 独立6GB");}@Overridepublic void buildPower() {computer.setPower("4芯 锂离子电池 180W AC适配器");}@Overridepublic void buildMemory() {computer.setMemory("4G + 4G");}
}public class ASUSComputerBuilder extends Builder{@Overridepublic void buildBrand() {computer.setBrand("华硕电脑");}@Overridepublic void buildCPU() {computer.setCpu("Intel 第8代 酷睿");}@Overridepublic void buildMainBoard() {computer.setMainBoard("华硕主板");}@Overridepublic void buildHardDisk() {computer.setHardDisk("256GB SSD");}@Overridepublic void buildDisplayCard() {computer.setDisplayCard("MX150 独立2GB");}@Overridepublic void buildPower() {computer.setPower("3芯 锂离子电池 65W AC适配器");}@Overridepublic void buildMemory() {computer.setMemory("1 x SO-DIMM 8GB");}
}
指挥者 ComputerDirector
,指挥构建过程
public class ComputerDirector {public Computer construct(Builder builder) {// 逐步构建复杂产品对象Computer computer;builder.buildBrand();builder.buildCPU();builder.buildDisplayCard();builder.buildHardDisk();builder.buildMainBoard();builder.buildMemory();builder.buildPower();computer = builder.createComputer();return computer;}
}
客户端测试
public class Test {public static void main(String[] args) {ComputerDirector director = new ComputerDirector();Builder asusBuilder = new ASUSComputerBuilder();Computer asusComputer = director.construct(asusBuilder);System.out.println(asusComputer.toString());Builder dellBuilder = new DellComputerBuilder();Computer dellComputer = director.construct(dellBuilder);System.out.println(dellComputer.toString());}
}
输出
Computer{brand='华硕电脑', cpu='Intel 第8代 酷睿', mainBoard='华硕主板', hardDisk='256GB SSD', displayCard='MX150 独立2GB', power='3芯 锂离子电池 65W AC适配器', memory='1 x SO-DIMM 8GB'}
Computer{brand='戴尔电脑', cpu='i5-8300H 四核', mainBoard='戴尔主板', hardDisk='1T + 128GB SSD', displayCard='GTX1060 独立6GB', power='4芯 锂离子电池 180W AC适配器', memory='4G + 4G'}
可以通过反射机制和配置文件配合,创建具体建造者对象
public class Test {public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException {ComputerDirector director = new ComputerDirector();// 从数据库或者配置文件中读取具体建造者类名Class c = Class.forName("com.designpattern.ASUSComputerBuilder");Builder asusBuilder = (Builder) c.newInstance();Computer asusComputer = director.construct(asusBuilder);System.out.println(asusComputer.toString());}
}
建造者模式总结
建造者模式的主要优点如下:
- 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。
- 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。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”。
- 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。
建造者模式的主要缺点如下:
- 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,例如很多组成部分都不相同,不适合使用建造者模式,因此其使用范围受到一定的限制。
- 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,增加系统的理解难度和运行成本。
适用场景:
- 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属性。
- 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。在建造者模式中通过引入了指挥者类,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。
- 隔离复杂对象的创建和使用,并使得相同的创建过程可以创建不同的产品。
建造者模式的典型应用和源码分析
java.lang.StringBuilder 中的建造者模式
StringBuilder
的继承实现关系如下所示
Appendable
接口如下
public interface Appendable {Appendable append(CharSequence csq) throws IOException;Appendable append(CharSequence csq, int start, int end) throws IOException;Appendable append(char c) throws IOException;
}
StringBuilder
中的 append
方法使用了建造者模式,不过装配方法只有一个,并不算复杂,append
方法返回的是 StringBuilder
自身
public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder implements java.io.Serializable, CharSequence {@Overridepublic StringBuilder append(String str) {super.append(str);return this;}// ...省略...
}
StringBuilder
的父类 AbstractStringBuilder
实现了 Appendable
接口
abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {char[] value;int count;public AbstractStringBuilder append(String str) {if (str == null)return appendNull();int len = str.length();ensureCapacityInternal(count + len);str.getChars(0, len, value, count);count += len;return this;}private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {// overflow-conscious codeif (minimumCapacity - value.length > 0) {value = Arrays.copyOf(value,newCapacity(minimumCapacity));}}// ...省略...
}
我们可以看出,Appendable
为抽象建造者,定义了建造方法,StringBuilder
既充当指挥者角色,又充当产品角色,又充当具体建造者,建造方法的实现由 AbstractStringBuilder
完成,而 StringBuilder
继承了 AbstractStringBuilder
java.lang.StringBuffer 中的建造者方法
StringBuffer 继承与实现关系如下
这分明就与 StringBuilder
一样嘛!
那它们有什么不同呢?
public final class StringBuffer extends AbstractStringBuilder implements java.io.Serializable, CharSequence {@Overridepublic synchronized StringBuffer append(String str) {toStringCache = null;super.append(str);return this;}//...省略...
}
看 StringBuffer
的源码如上,它们的区别就是: StringBuffer
中的 append
加了 synchronized
关键字,所以StringBuffer
是线程安全的,而 StringBuilder
是非线程安全的
StringBuffer
中的建造者模式与 StringBuilder
是一致的
Google Guava 中的建造者模式
ImmutableSet
不可变Set的主要方法如下
ImmutableSet
类中 of
, copyOf
等方法返回的是一个 ImmutableSet
对象,这里是一个建造者模式,所构建的复杂产品对象为 ImmutableSet
ImmutableSet
的内部类 ImmutableSet.Builder
如下所示
public static class Builder<E> extends ArrayBasedBuilder<E> {@CanIgnoreReturnValuepublic ImmutableSet.Builder<E> add(E... elements) {super.add(elements);return this;}@CanIgnoreReturnValuepublic ImmutableSet.Builder<E> addAll(Iterator<? extends E> elements) {super.addAll(elements);return this;}public ImmutableSet<E> build() {ImmutableSet<E> result = ImmutableSet.construct(this.size, this.contents);this.size = result.size();return result;}//...省略...
}
其中的 add
、addAll
等方法返回的是 ImmutableSet.Builder
对象本身,而 build
则返回 ImmutableSet
对象,所以 ImmutableSet.Builder
是具体建造者,add
、addAll
等方法则相当于buildPartX()
,是装配过程中的一部分,build
方法则是 getResult()
,返回最终创建好的复杂产品对象
ImmutableSet 使用示例如下:
public class Test2 {public static void main(String[] args) {Set<String> set = ImmutableSet.<String>builder().add("a").add("a").add("b").build();System.out.println(set);// [a, b]}
}
再来看一个,一般创建一个 guava缓存
的写法如下所示
final static Cache<Integer, String> cache = CacheBuilder.newBuilder()//设置cache的初始大小为10,要合理设置该值 .initialCapacity(10)//设置并发数为5,即同一时间最多只能有5个线程往cache执行写入操作 .concurrencyLevel(5)//设置cache中的数据在写入之后的存活时间为10秒 .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)//构建cache实例 .build();
这里很明显,我们不用看源码就可以知道这里是一个典型的建造者模式,CacheBuilder.newBuilder()
创建了一个具体建造者,.initialCapacity(10)
、.concurrencyLevel(5)
、.expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
则是构建过程,最终的 .build()
返回创建完成的复杂产品对象
看看源码是不是符合我们的猜测
public final class CacheBuilder<K, V> {// 创建一个具体建造者public static CacheBuilder<Object, Object> newBuilder() {return new CacheBuilder();}// 建造过程之一public CacheBuilder<K, V> initialCapacity(int initialCapacity) {Preconditions.checkState(this.initialCapacity == -1, "initial capacity was already set to %s", this.initialCapacity);Preconditions.checkArgument(initialCapacity >= 0);this.initialCapacity = initialCapacity;return this;}// 建造过程之一public CacheBuilder<K, V> concurrencyLevel(int concurrencyLevel) {Preconditions.checkState(this.concurrencyLevel == -1, "concurrency level was already set to %s", this.concurrencyLevel);Preconditions.checkArgument(concurrencyLevel > 0);this.concurrencyLevel = concurrencyLevel;return this;}// 建造过程之一public CacheBuilder<K, V> expireAfterWrite(long duration, TimeUnit unit) {Preconditions.checkState(this.expireAfterWriteNanos == -1L, "expireAfterWrite was already set to %s ns", this.expireAfterWriteNanos);Preconditions.checkArgument(duration >= 0L, "duration cannot be negative: %s %s", duration, unit);this.expireAfterWriteNanos = unit.toNanos(duration);return this;}// 建造完成,返回创建完的复杂产品对象public <K1 extends K, V1 extends V> Cache<K1, V1> build() {this.checkWeightWithWeigher();this.checkNonLoadingCache();return new LocalManualCache(this);}// ...省略...
}
很明显符合我们的猜测,initialCapacity()
、concurrencyLevel()
、expireAfterWrite()
等方法对传进来的参数进行处理和设置,返回 CacheBuilder
对象本身,build
则把 CacheBuilder
对象 作为参数,new 了一个 LocalManualCache
对象返回
mybatis 中的建造者模式
我们来看 org.apache.ibatis.session
包下的 SqlSessionFactoryBuilder
类
里边很多重载的 build
方法,返回值都是 SqlSessionFactory
,除了最后两个所有的 build
最后都调用下面这个 build
方法
public SqlSessionFactory build(Reader reader, String environment, Properties properties) {SqlSessionFactory var5;try {XMLConfigBuilder parser = new XMLConfigBuilder(reader, environment, properties);var5 = this.build(parser.parse());} catch (Exception var14) {throw ExceptionFactory.wrapException("Error building SqlSession.", var14);} finally {ErrorContext.instance().reset();try {reader.close();} catch (IOException var13) {;}}return var5;}
其中最重要的是 XMLConfigBuilder
的 parse
方法,代码如下
public class XMLConfigBuilder extends BaseBuilder {public Configuration parse() {if (this.parsed) {throw new BuilderException("Each XMLConfigBuilder can only be used once.");} else {this.parsed = true;this.parseConfiguration(this.parser.evalNode("/configuration"));return this.configuration;}}private void parseConfiguration(XNode root) {try {Properties settings = this.settingsAsPropertiess(root.evalNode("settings"));this.propertiesElement(root.evalNode("properties"));this.loadCustomVfs(settings);this.typeAliasesElement(root.evalNode("typeAliases"));this.pluginElement(root.evalNode("plugins"));this.objectFactoryElement(root.evalNode("objectFactory"));this.objectWrapperFactoryElement(root.evalNode("objectWrapperFactory"));this.reflectorFactoryElement(root.evalNode("reflectorFactory"));this.settingsElement(settings);this.environmentsElement(root.evalNode("environments"));this.databaseIdProviderElement(root.evalNode("databaseIdProvider"));this.typeHandlerElement(root.evalNode("typeHandlers"));this.mapperElement(root.evalNode("mappers"));} catch (Exception var3) {throw new BuilderException("Error parsing SQL Mapper Configuration. Cause: " + var3, var3);}}// ...省略...
}
parse
方法最终要返回一个 Configuration
对象,构建 Configuration
对象的建造过程都在 parseConfiguration
方法中,这也就是 Mybatis
解析 XML配置文件
来构建 Configuration
对象的主要过程
所以 XMLConfigBuilder
是建造者 SqlSessionFactoryBuilder
中的建造者,复杂产品对象分别是 SqlSessionFactory
和 Configuration
参考:
刘伟:设计模式Java版
慕课网java设计模式精讲 Debug 方式+内存分析
更多内容请访问我的个人博客:http://laijianfeng.org/
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