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建造者模式详解

定义

建造者模式（Builder Pattern）是一种创建型设计模式，它通过将对象的构造与表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的对象。

建造者模式的特点

优点

1. 解耦构造和表示：构造复杂对象时可以灵活改变其内部结构或表示。
2. 代码复用性强：不同的具体建造者可以复用相同的构造过程。
3. 易于扩展：增加新的建造者无需修改已有代码，符合开闭原则。

缺点

1. 增加代码复杂度：需要为每个产品定义具体的建造者。
2. 对产品组成部分有依赖：如果产品结构变化，所有建造者都需要修改。

适用场景

1. 复杂对象的构建
   需要多个步骤构建的对象，如嵌套、依赖其他对象的初始化等。
2. 构建过程稳定，产品表示多样化
   不同的表示方式（如不同配置的车辆、不同风格的房屋）。
3. 对象构造步骤依赖顺序
   例如必须先初始化再添加组件。

建造者模式的结构

核心角色

1. 抽象建造者（Builder）：定义构建产品的步骤。
2. 具体建造者（Concrete Builder）：实现步骤以构建具体产品。
3. 产品（Product）：最终构建的复杂对象。
4. 指挥者（Director）：调用建造者的步骤来创建产品。

使用案例

案例 1：汽车制造

不同配置的汽车（如电动车、SUV），但装配过程类似。

案例 2：软件配置生成器

根据用户输入生成复杂的配置文件。

案例 3：餐馆点餐

不同种类的套餐，包含固定步骤但菜品可以变化。

建造者模式的实现

C++ 实现

#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>

// 产品类
class Product {
public:
    void AddPart(const std::string& part) {
        parts += part + " ";
    }
    void Show() const {
        std::cout << "Product built with parts: " << parts << std::endl;
    }
private:
    std::string parts;
};

// 抽象建造者
class Builder {
public:
    virtual ~Builder() = default;
    virtual void BuildPartA() = 0;
    virtual void BuildPartB() = 0;
    virtual std::unique_ptr<Product> GetResult() = 0;
};

// 具体建造者
class ConcreteBuilder : public Builder {
public:
    ConcreteBuilder() { product = std::make_unique<Product>(); }
    void BuildPartA() override {
        product->AddPart("PartA");
    }
    void BuildPartB() override {
        product->AddPart("PartB");
    }
    std::unique_ptr<Product> GetResult() override {
        return std::move(product);
    }
private:
    std::unique_ptr<Product> product;
};

// 指挥者
class Director {
public:
    void Construct(std::shared_ptr<Builder> builder) {
        builder->BuildPartA();
        builder->BuildPartB();
    }
};

// 客户端代码
int main() {
    std::shared_ptr<Builder> builder = std::make_shared<ConcreteBuilder>();
    Director director;
    director.Construct(builder);
    std::unique_ptr<Product> product = builder->GetResult();
    product->Show();
    return 0;
}

C# 实现

using System;

// 产品类
public class Product {
    private string parts = "";

    public void AddPart(string part) {
        parts += part + " ";
    }

    public void Show() {
        Console.WriteLine($"Product built with parts: {parts}");
    }
}

// 抽象建造者
public abstract class Builder {
    public abstract void BuildPartA();
    public abstract void BuildPartB();
    public abstract Product GetResult();
}

// 具体建造者
public class ConcreteBuilder : Builder {
    private Product product = new Product();

    public override void BuildPartA() {
        product.AddPart("PartA");
    }

    public override void BuildPartB() {
        product.AddPart("PartB");
    }

    public override Product GetResult() {
        return product;
    }
}

// 指挥者
public class Director {
    public void Construct(Builder builder) {
        builder.BuildPartA();
        builder.BuildPartB();
    }
}

// 客户端代码
class Program {
    static void Main(string[] args) {
        Builder builder = new ConcreteBuilder();
        Director director = new Director();
        director.Construct(builder);
        Product product = builder.GetResult();
        product.Show();
    }
}

建造者模式的类图

建造者模式的扩展

1. 多指挥者与多建造者结合

多个指挥者（Director）可复用建造者以创建不同风格的产品。

2. 与工厂模式结合

将建造者模式的产品创建交由工厂管理，建造者只专注于构造步骤。

3. 流式接口建造者

通过流式接口（Fluent Interface）简化使用，如 .BuildPartA().BuildPartB()。

总结

建造者模式非常适合构造复杂对象，并使构建过程具有可扩展性和灵活性。它通过分离构建步骤和产品表示，解决了对象创建的复杂性问题。在实际开发中，建造者模式可以结合工厂模式和原型模式实现更复杂的功能，尤其是在配置生成、产品装配等场景中应用广泛。

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