JAVA / Android 设计模式之建造者（Builder）模式

前言

在使用一些热门第三方框架的时候，我们往往会发现，比如okHttp的client，初始化retrofit 对象，初始化 glide 对象等等，都用了这样：

Retrofit.Builder()
.baseUrl(baseUrl)
.client(getClient())
.addConverterFactory(FastJsonConverterFactory.create())
.addCallAdapterFactory(RxJavaCallAdapterFactory.create())
.build();

如此简洁明了的使用方式，如此灵活多变的链式调用，它的具体思想是怎样的呢，来一起掀起它的神秘面纱

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介绍

定义

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。建造者模式属于对象创建型模式。根据中文翻译的不同，建造者模式又可以称为生成器模式。

主要作用

在用户不知道对象的建造过程和细节的情况下就可以直接创建复杂的对象。

• 用户只需要给出指定复杂对象的类型和内容；
• 建造者模式负责按顺序创建复杂对象（把内部的建造过程和细节隐藏起来)

解决的问题

• 方便用户创建复杂的对象（不需要知道实现过程）
• 代码复用性 & 封装性（将对象构建过程和细节进行封装 & 复用）

模式原理

• 指挥者（Director）直接和客户（Client）进行需求沟通；
• 沟通后指挥者将客户创建产品的需求划分为各个部件的建造请求（Builder）；
• 将各个部件的建造请求委派到具体的建造者（ConcreteBuilder）；
• 各个具体建造者负责进行产品部件的构建；
• 最终构建成具体产品（Product）。

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优缺点

优点

• 易于解耦
  将产品本身与产品创建过程进行解耦，可以使用相同的创建过程来得到不同的产品。也就说细节依赖抽象。

• 易于精确控制对象的创建
  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

• 易于拓展
  增加新的具体建造者无需修改原有类库的代码，易于拓展，符合“开闭原则“。

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。

缺点

• 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。

应用场景

• 需要生成的产品对象有复杂的内部结构，这些产品对象具备共性；
• 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。

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示例

Builder模式是怎么来的

考虑这样一个场景，假如有一个类(*User*)，里面有很多属性，并且你希望这些类的属性都是不可变的(final)，就像下面的代码：

public class User {

    private final String firstName;     // 必传参数
    private final String lastName;      // 必传参数
    private final int age;              // 可选参数
    private final String phone;         // 可选参数
    private final String address;       // 可选参数
}

在这个类中，有些参数是必要的，而有些参数是非必要的。就好比在注册用户时，用户的姓和名是必填的，而年龄、手机号和家庭地址等是非必需的。那么问题就来了，如何创建这个类的对象呢？

一种可行的方案就是实用构造方法。第一个构造方法只包含两个必需的参数，第二个构造方法中，增加一个可选参数，第三个构造方法中再增加一个可选参数，依次类推，直到构造方法中包含了所有的参数。

public User(String firstName, String lastName) {
        this(firstName, lastName, 0);
    }

    public User(String firstName, String lastName, int age) {
        this(firstName, lastName, age, "");
    }

    public User(String firstName, String lastName, int age, String phone) {
        this(firstName, lastName, age, phone, "");
    }

    public User(String firstName, String lastName, int age, String phone, String address) {
        this.firstName = firstName;
        this.lastName = lastName;
        this.age = age;
        this.phone = phone;
        this.address = address;
    }

这样做的好处只有一个：可以成功运行。但是弊端很明显：

• 参数较少的时候问题还不大，一旦参数多了，代码可读性就很差，并且难以维护。
• 对调用者来说也很麻烦。如果我只想多传一个address参数，还必需给age、phone设置默认值。而且调用者还会有这样的困惑：我怎么知道第四个String类型的参数该传address还是phone？

第二种解决办法就出现了，我们同样可以根据JavaBean的习惯，设置一个空参数的构造方法，然后为每一个属性设置setters和getters方法。就像下面一样：

public class User {

    private String firstName;     // 必传参数
    private String lastName;      // 必传参数
    private int age;              // 可选参数
    private String phone;         // 可选参数
    private String address;       // 可选参数

    public User() {
    }

    public String getFirstName() {
        return firstName;
    }

    public String getLastName() {
        return lastName;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public String getPhone() {
        return phone;
    }

    public String getAddress() {
        return address;
    }
}

这种方法看起来可读性不错，而且易于维护。作为调用者，创建一个空的对象，然后只需传入我感兴趣的参数。那么缺点呢？也有两点：

• 对象会产生不一致的状态。当你想要传入5个参数的时候，你必需将所有的setXX方法调用完成之后才行。然而一部分的调用者看到了这个对象后，以为这个对象已经创建完毕，就直接食用了，其实User对象并没有创建完成。
• *User*类是可变的了，不可变类所有好处都不复存在。

终于轮到主角上场的时候了，利用Builder模式，我们可以解决上面的问题，代码如下：

public class User {

    private final String firstName;     // 必传参数
    private final String lastName;      // 必传参数
    private final int age;              // 可选参数
    private final String phone;         // 可选参数
    private final String address;       // 可选参数

    private User(UserBuilder builder) {
        this.firstName = builder.firstName;
        this.lastName = builder.lastName;
        this.age = builder.age;
        this.phone = builder.phone;
        this.address = builder.address;
    }

    public String getFirstName() {
        return firstName;
    }

    public String getLastName() {
        return lastName;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public String getPhone() {
        return phone;
    }

    public String getAddress() {
        return address;
    }

    public static class UserBuilder {
        private final String firstName;
        private final String lastName;
        private int age;
        private String phone;
        private String address;

        public UserBuilder(String firstName, String lastName) {
            this.firstName = firstName;
            this.lastName = lastName;
        }

        public UserBuilder age(int age) {
            this.age = age;
            return this;
        }

        public UserBuilder phone(String phone) {
            this.phone = phone;
            return this;
        }

        public UserBuilder address(String address) {
            this.address = address;
            return this;
        }

        public User build() {
            return new User(this);
        }
    }
}

有几个重要的地方需要强调一下：

• *User*类的构造方法是私有的。也就是说调用者不能直接创建User对象。
• *User*类的属性都是不可变的。所有的属性都添加了final修饰符，并且在构造方法中设置了值。并且，对外只提供getters方法。
• Builder模式使用了链式调用。可读性更佳。
• Builder的内部类构造方法中只接收必传的参数，并且该必传的参数适用了final修饰符。

相比于前面两种方法，Builder模式拥有其所有的优点，而没有上述方法中的缺点。客户端的代码更容易写，并且更重要的是，可读性非常好。唯一可能存在的问题就是会产生多余的Builder对象，消耗内存。然而大多数情况下我们的Builder内部类使用的是静态修饰的(static)，所以这个问题也没多大关系。

现在，让我们看看如何创建一个User对象呢？

new User.UserBuilder("金", "坷垃")
                .age(25)
                .phone("3838438")
                .address("奥格瑞玛")
                .build();

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关于Builder的一点说明

线程安全问题

由于Builder是非线程安全的，所以如果要在Builder内部类中检查一个参数的合法性，必需要在对象创建完成之后再检查。

正确的写法：

public User build() {
  User user = new user(this);
  if (user.getAge() > 120) {
    throw new IllegalStateException(“Age out of range”); // 线程安全
  }
  return user;
}

下面的代码是非线程安全的：

public User build() {
  if (age > 120) {
    throw new IllegalStateException(“Age out of range”); // 非线程安全
  }
  return new User(this);
}

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Android源码中的建造者模式

在Android源码中，我们最常用到的Builder模式就是AlertDialog.Builder， 使用该Builder来构建复杂的AlertDialog对象。简单示例如下 ：

 //显示基本的AlertDialog  
    private void showDialog(Context context) {  
        AlertDialog.Builder builder = new AlertDialog.Builder(context);  
        builder.setIcon(R.drawable.icon);  
        builder.setTitle("Title");  
        builder.setMessage("Message");  
        builder.setPositiveButton("Button1",  
                new DialogInterface.OnClickListener() {  
                    public void onClick(DialogInterface dialog, int whichButton) {  
                        setTitle("点击了对话框上的Button1");  
                    }  
                });  
        builder.setNeutralButton("Button2",  
                new DialogInterface.OnClickListener() {  
                    public void onClick(DialogInterface dialog, int whichButton) {  
                        setTitle("点击了对话框上的Button2");  
                    }  
                });  
        builder.setNegativeButton("Button3",  
                new DialogInterface.OnClickListener() {  
                    public void onClick(DialogInterface dialog, int whichButton) {  
                        setTitle("点击了对话框上的Button3");  
                    }  
                });  
        builder.create().show();  // 构建AlertDialog， 并且显示
    } 

那么它的内部是如何实现的呢，让我们看一下部分源码：

// AlertDialog
public class AlertDialog extends Dialog implements DialogInterface {
    // Controller, 接受Builder成员变量P中的各个参数
    private AlertController mAlert;

    // 构造函数
    protected AlertDialog(Context context, int theme) {
        this(context, theme, true);
    }

    // 4 : 构造AlertDialog
    AlertDialog(Context context, int theme, boolean createContextWrapper) {
        super(context, resolveDialogTheme(context, theme), createContextWrapper);
        mWindow.alwaysReadCloseOnTouchAttr();
        mAlert = new AlertController(getContext(), this, getWindow());
    }

    // 实际上调用的是mAlert的setTitle方法
    @Override
    public void setTitle(CharSequence title) {
        super.setTitle(title);
        mAlert.setTitle(title);
    }

    // 实际上调用的是mAlert的setCustomTitle方法
    public void setCustomTitle(View customTitleView) {
        mAlert.setCustomTitle(customTitleView);
    }

    public void setMessage(CharSequence message) {
        mAlert.setMessage(message);
    }

    // AlertDialog其他的代码省略

    // ************  Builder为AlertDialog的内部类   *******************
    public static class Builder {
        // 1 : 存储AlertDialog的各个参数, 例如title, message, icon等.
        private final AlertController.AlertParams P;
        // 属性省略

        /**
         * Constructor using a context for this builder and the {@link AlertDialog} it creates.
         */
        public Builder(Context context) {
            this(context, resolveDialogTheme(context, 0));
        }


        public Builder(Context context, int theme) {
            P = new AlertController.AlertParams(new ContextThemeWrapper(
                    context, resolveDialogTheme(context, theme)));
            mTheme = theme;
        }

        // Builder的其他代码省略 ......

        // 2 : 设置各种参数
        public Builder setTitle(CharSequence title) {
            P.mTitle = title;
            return this;
        }


        public Builder setMessage(CharSequence message) {
            P.mMessage = message;
            return this;
        }

        public Builder setIcon(int iconId) {
            P.mIconId = iconId;
            return this;
        }

        public Builder setPositiveButton(CharSequence text, final OnClickListener listener) {
            P.mPositiveButtonText = text;
            P.mPositiveButtonListener = listener;
            return this;
        }


        public Builder setView(View view) {
            P.mView = view;
            P.mViewSpacingSpecified = false;
            return this;
        }

        // 3 : 构建AlertDialog, 传递参数
        public AlertDialog create() {
            // 调用new AlertDialog构造对象， 并且将参数传递个体AlertDialog 
            final AlertDialog dialog = new AlertDialog(P.mContext, mTheme, false);
            // 5 : 将P中的参数应用的dialog中的mAlert对象中
            P.apply(dialog.mAlert);
            dialog.setCancelable(P.mCancelable);
            if (P.mCancelable) {
                dialog.setCanceledOnTouchOutside(true);
            }
            dialog.setOnCancelListener(P.mOnCancelListener);
            if (P.mOnKeyListener != null) {
                dialog.setOnKeyListener(P.mOnKeyListener);
            }
            return dialog;
        }
    } 
}

可以看到，通过Builder来设置AlertDialog中的title, message, button等参数， 这些参数都存储在类型为AlertController.AlertParams的成员变量P中，AlertController.AlertParams中包含了与之对应的成员变量。在调用Builder类的create函数时才创建AlertDialog, 并且将Builder成员变量P中保存的参数应用到AlertDialog的mAlert对象中，即P.apply(dialog.mAlert)代码段。我们看看apply函数的实现 :

 public void apply(AlertController dialog) {
            if (mCustomTitleView != null) {
                dialog.setCustomTitle(mCustomTitleView);
            } else {
                if (mTitle != null) {
                    dialog.setTitle(mTitle);
                }
                if (mIcon != null) {
                    dialog.setIcon(mIcon);
                }
                if (mIconId >= 0) {
                    dialog.setIcon(mIconId);
                }
                if (mIconAttrId > 0) {
                    dialog.setIcon(dialog.getIconAttributeResId(mIconAttrId));
                }
            }
            if (mMessage != null) {
                dialog.setMessage(mMessage);
            }
            if (mPositiveButtonText != null) {
                dialog.setButton(DialogInterface.BUTTON_POSITIVE, mPositiveButtonText,
                        mPositiveButtonListener, null);
            }
            if (mNegativeButtonText != null) {
                dialog.setButton(DialogInterface.BUTTON_NEGATIVE, mNegativeButtonText,
                        mNegativeButtonListener, null);
            }
            if (mNeutralButtonText != null) {
                dialog.setButton(DialogInterface.BUTTON_NEUTRAL, mNeutralButtonText,
                        mNeutralButtonListener, null);
            }
            if (mForceInverseBackground) {
                dialog.setInverseBackgroundForced(true);
            }
            // For a list, the client can either supply an array of items or an
            // adapter or a cursor
            if ((mItems != null) || (mCursor != null) || (mAdapter != null)) {
                createListView(dialog);
            }
            if (mView != null) {
                if (mViewSpacingSpecified) {
                    dialog.setView(mView, mViewSpacingLeft, mViewSpacingTop, mViewSpacingRight,
                            mViewSpacingBottom);
                } else {
                    dialog.setView(mView);
                }
            }
        }

实际上就是把P中的参数挨个的设置到AlertController中， 也就是AlertDialog中的mAlert对象。从AlertDialog的各个setter方法中我们也可以看到，实际上也都是调用了mAlert对应的setter方法。在这里，Builder同时扮演了上文中提到的builder、ConcreteBuilder、Director的角色，简化了Builder模式的设计。

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总结

其核心思想是将一个“复杂对象的构建算法”与它的“部件及组装方式”分离，使得构件算法和组装方式可以独立应对变化；复用同样的构建算法可以创建不同的表示，不同的构建过程可以复用相同的部件组装方式。

Builder模式目的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。