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设计模式之建造者模式（C++）

设计模式之建造者模式（C++）

建造者模式概述

建造者模式的核心在于将复杂对象的构建过程与其表示分离开来，使得同样的构建过程能够创建出不同的表示形式。简单来说，就是把对象的创建过程拆分成多个步骤，每个步骤由具体的建造者类负责完成，最后由指挥者类来协调这些步骤，从而完成对象的构建。

建造者模式的结构

建造者模式主要包含以下四个关键角色：

产品（Product）：这是我们最终要构建的复杂对象，包含了对象的各种属性和行为。
抽象建造者（Builder）：定义了创建产品各个部件的抽象方法，以及返回产品的方法，为具体建造者类提供了统一的接口。
具体建造者（Concrete Builder）：实现了抽象建造者接口，具体负责实现创建产品各个部件的方法，根据不同的需求构建出不同的产品。
指挥者（Director）：负责安排复杂对象的构建顺序，调用建造者的方法来完成产品的构建过程。

C++ 实现建造者模式示例

示例设计思路：

建造者模式通过将复杂对象的构建过程分解为独立步骤（由抽象建造者定义），由指挥者控制构建流程，具体建造者实现各步骤的组件装配，最终实现产品构建过程与组件实现的解耦，使得相同构建流程能创建不同配置的产品。

下面示例通过Director指挥MacBookBuilder依次执行构建主板、显示器和操作系统（buildBoard(), buildDisplay(), buildOs()）的标准化流程，将计算机组件的具体实现（如Mac OS系统配置）封装在建造者内部，使同一构建流程能通过更换不同建造者（如未来添加的WindowsBuilder）生成不同的计算机产品。

1. 产品类（`Computer`）

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

// 产品类：电脑，作为抽象基类
class Computer{
    public:
        // 构造函数
        Computer(){}

        // 设置主板信息
        void setBoard(const std::string& board_name){
            _board = board_name;
        }

        // 设置显示器信息
        void setDisplay(const std::string &displayer_name) { _displayer = displayer_name; }

        // 显示电脑配置信息
        void showParamate(){
            std::string param = "Computer: Paramater:\n";
            param += "\tBoard: " + _board + "\n";
            param += "\tDisplayer: " + _displayer + "\n";
            param += "\tOS: " + _os + "\n";
            std::cout << param << std::endl;
        }

        // 纯虚函数，用于设置操作系统，需由子类实现
        virtual void setOs() = 0;
    protected:
        std::string _board;     // 主板信息
        std::string _displayer; // 显示器信息
        std::string _os;        // 操作系统信息
};

// 具体产品类：MacBook，继承自 Computer
class MacBook: public Computer{
    public:
        // 实现基类的纯虚函数，设置操作系统为 Mac OS
        void setOs() override{
            _os = "Mac OS";
        }
};

Computer 类是我们要构建的电脑产品的抽象基类，包含了主板、显示器和操作系统三个重要属性。setBoard 和 setDisplay 方法用于设置主板和显示器的信息，showParamate 方法用于显示电脑的配置信息，setOs 是一个纯虚函数，需要由具体的子类实现。MacBook 类继承自 Computer 类，实现了 setOs 方法，将操作系统设置为 Mac OS。

2. 抽象建造者类（`Builder`）

// 抽象建造者类，定义构建电脑各部件的抽象方法
class Builder{
    public:
        // 抽象方法：构建主板
        virtual void buildBoard(const std::string& board_name) = 0;

        // 抽象方法：构建显示器
        virtual void buildDisplay(const std::string& displayer_name) = 0;

        // 抽象方法：构建操作系统
        virtual void buildOs() = 0;

        // 抽象方法：返回构建好的电脑对象
        virtual std::shared_ptr<Computer> build() = 0;
};

Builder 是一个抽象类，定义了构建电脑各个部件的抽象方法 buildBoard、buildDisplay 和 buildOs，以及返回构建好的电脑对象的方法 build。具体建造者类需要实现这些抽象方法。

3. 具体建造者类（`MacBookBuilder`）

// 具体建造者类：负责构建 MacBook 电脑
class MacBookBuilder: public Builder{
    public:
        // 构造函数，创建一个新的 MacBook 对象
        MacBookBuilder()
        :_computer(new MacBook()){}

        // 实现抽象方法：构建主板
        void buildBoard(const std::string& board_name){
            _computer->setBoard(board_name);
        }

        // 实现抽象方法：构建显示器
        void buildDisplay(const std::string& displayer_name){
            _computer->setDisplay(displayer_name);
        }

        // 实现抽象方法：构建操作系统
        void buildOs(){
            _computer->setOs();
        }

        // 实现抽象方法：返回构建好的电脑对象
        std::shared_ptr<Computer> build(){
            return _computer;
        }

    private:
        std::shared_ptr<Computer> _computer; // 存储构建中的电脑对象
};

MacBookBuilder 是 Builder 的具体实现类，负责构建 MacBook 电脑。在构造函数中创建一个新的 MacBook 对象，然后在 buildBoard、buildDisplay 和 buildOs 方法中分别为电脑设置具体的主板、显示器和操作系统信息。build 方法返回构建好的电脑对象。

4. 指挥者类（`Director`）

// 指挥者类，负责安排电脑的构建顺序
class Director {
    public:
        // 构造函数，接收一个 Builder 指针
        Director(Builder* builder):_builder(builder){}

        // 按照顺序调用建造者的方法来构建电脑
        void construct(const std::string& board_name, const std::string& displayer_name)
            {
                _builder->buildBoard(board_name);
                _builder->buildDisplay(displayer_name);
                _builder->buildOs();
            }
    private:
        std::shared_ptr<Builder> _builder; // 存储建造者对象
};

Director 类负责安排电脑的构建顺序。在构造函数中接收一个 Builder 类型的指针，然后在 construct 方法中按照一定的顺序调用建造者的方法来构建电脑。

5. 客户端代码（`main` 函数）

int main(){
    // 创建一个 MacBook 建造者对象
    Builder* builder = new MacBookBuilder();

    // 创建指挥者对象，并传入建造者指针
    std::unique_ptr<Director> director(new Director(builder));

    // 指挥者开始构建电脑，传入主板和显示器信息
    director->construct("主板1", "显示器1");

    // 通过建造者获取构建好的电脑对象
    std::shared_ptr<Computer> computer = builder->build();

    // 显示电脑的配置信息
    computer->showParamate();

    return 0;
}

在 main 函数中，首先创建一个 MacBookBuilder 对象，然后将其传递给 Director 对象。调用 Director 的 construct 方法开始构建电脑，传入主板和显示器的信息。最后通过建造者的 build 方法获取构建好的电脑对象，并调用其 showParamate 方法显示电脑配置信息。

建造者模式的优缺点

优点

分离构建与表示：将对象的构建过程和表示分离，使得构建过程更加清晰，易于维护和扩展。
创建不同表示的对象：可以方便地创建不同类型的产品，只需要更换具体的建造者类即可。
符合单一职责原则：每个建造者类只负责构建产品的一部分，职责明确，提高了代码的可维护性。

缺点

增加系统复杂度：需要创建多个类（产品类、抽象建造者类、具体建造者类和指挥者类），增加了系统的复杂度。
不适用于简单对象：对于简单对象的构建，使用建造者模式可能会显得过于繁琐。

建造者模式的适用场景

对象构建过程复杂：当一个对象的构建需要多个步骤，并且每个步骤都有不同的实现方式时，可以使用建造者模式。例如，创建一个汽车对象，需要依次安装发动机、轮胎、座椅等部件，每个部件的安装方式可能不同。
需要创建不同表示的对象：如果需要使用相同的构建过程来创建不同表示的对象，可以使用建造者模式。例如，创建不同配置的电脑，只需要更换具体的建造者类即可。

与其他模式的比较

与工厂模式的比较

工厂模式主要关注的是对象的创建，它隐藏了对象创建的细节，客户端只需要调用工厂方法即可获取对象。而建造者模式不仅关注对象的创建，还关注对象的构建过程，它将构建过程分解为多个步骤，通过指挥者来协调这些步骤的执行。

与抽象工厂模式的比较

抽象工厂模式主要用于创建一系列相关的对象，它返回的是一个产品族。而建造者模式主要用于创建一个复杂的对象，它通过多个步骤来构建这个对象。

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