本文为《软件设计精要与模式》第十七章，略有修改
在GOF 所著的《设计模式》一书中，描述了Builder模式的意图：“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。”按照封装变化的原理，Builder模式实则是封装对象创建的变化，但它与Factory Method模式、Abstract Factory模式不同的是，所谓对象的创建，主要是指对象内部构件的创建。形象地说，Builder模式就好似生产线的装配工人，可以接收多种方式与顺序组装各种零部件。本章，将给出我参与设计与开发的CIMS系统中的一个需求，详细讲解Builder模式的应用。
17.1 需求分析——装配设备对象
在 CIMS（Computer Integrated Manufacture System）项目中，有这样一个需求。系统中需要创建Equipment对象，这些对象由Machine对象和多个Port对象组成。Port对象包含两种类型：Input与Output。在Machine对象中，定义了PortType属性，它的值与Port对象的类型相对应。从目前的需求来看，Equipment对象，存在如下三种组成情况：
— 一个Machine对象，一个Input类型的Port对象；
— 一个Machine对象，一个Output类型的Port对象；
— 一个Machine对象，一个Input类型的Port对象，一个Output类型的Port对象。
客户方不排除将来有增加新的Equipment组合的可能。
需求清晰而简单，我们可以非常容易地识别出Port、Machine、Equipment对象。Port类的定义如下：
{
public abstract void Transfer();
}
public class InputPort:Port
{
public override void Transfer()
{
Console.WriteLine("Input");
}
}
public class OutputPort:Port
{
public override void Transfer()
{
Console.WriteLine("Output");
}
}
Port对象由于类型的不同，方法Transfer会有不同的实现，因此，我们定义了一个抽象Port类，然后定义其子类InputPort和OutputPort，分别代表两种不同类型的Port。
Machine类的定义相对比较简单，如下所示。
{
public Machine() { }
public Machine(string name)
{
Name = name;
}
public string Name
{
get; set;
}
public string PortType
{
get;set;
}
public void Run()
{
Console.WriteLine("The machine {0} is running!", Name);
}
}
由于Equipment对象可能会包含多个Port，因此Equipment类引入集合对象来保存Port对象，并利用泛型限制集合元素的类型，通过强类型的方式避免强制转换时可能出现的异常或错误。
{
public Equipment()
{
PortsList = new List<Port>();
}
public Machine Machine
{
get；set；
}
public List<Port> PortsList
{
get；
}
public string Name
{
get; set;
}
public void AddPort(Port port)
{
m_list.Add(port);
}
public void RemovePort(Port port)
{
m_list.Remove(port);
}
public void Run()
{
Console.WriteLine("The Equipment {0} is running as below...",m_name);
foreach (Port port in m_list)
{
port.Transfer();
}
m_machine.Run();
}
}
Equipment的Run方法会遍历List<Port>中的元素，并执行Port类型的Transfer方法，然后再执行Machine对象的Run方法。
17.2 糟糕的设计
单以现有的需求而论，上面的设计已经基本能够满足客户的要求。例如我们创建一个Equipment对象，它包含一个Machine对象，以及两个Port对象，一个为Input类型，一个为Output类型：
Port inputPort = new InputPort();
Port outputPort = new OutputPort();
Equipment eqp = new Equipment();
eqp.Name = machine.Name;
eqp.PortType = "InputOutput";
eqp.AddPort(inputPort);
eqp.AddPort(outputPort);
然而，这样的实现存在以下三个明显的缺陷：
（1）创建过程过于繁杂，不便于调用方调用；
（2）Port对象的添加过程无法控制；
（3）过于僵化，不利于程序的扩展；
事实上，每当我们创建一个Equipment对象时，都需要执行与上面实现相似的代码，那么为何不将这样的创建职责进行封装，以便于程序的重用呢？我们首先想到的是工厂模式。既然是创建三种Equipment对象，利用简单工厂模式即可，例如定义一个类SimpleLCDFactory：
{
public static Equipment CreateInputEQP(string eqpName)
{
Machine machine = new Machine("InputMachine");
Port inputPort = new InputPort();
Equipment eqp = new Equipment();
eqp.Name = machine.Name;
eqp.PortType = "Input";
eqp.AddPort(inputPort);
}
public static Equipment CreateOutputEQP(string eqpName)
{
Machine machine = new Machine("OutputMachine");
Port outputPort = new OutputPort();
Equipment eqp = new Equipment();
eqp.Name = machine.Name;
eqp.PortType = "Output";
eqp.AddPort(outputPort);
}
public static Equipment CreateIOPutEQP(string eqpName)
{
Machine machine = new Machine("InputOutputMachine");
Port inputPort = new InputPort();
Port outputPort = new OutputPort();
eqp.Name = machine.Name;
eqp.PortType = "InputOutput";
eqp.AddPort(inputPort);
eqp.AddPort(outputPort);
}
}
这样一来，我们要创建一个Equipment对象就相对容易多了：
由于提供了专门的方法来创建Equipment对象，之前提到的前两个缺陷就被有效地克服了。然而，由于采用的简单工厂模式并没有将可能存在的创建变化进行抽象，导致这样的结构仍然僵化，不易于扩展。例如，在增加一个新的Equipment对象组合时，就需要在SimpleLCDFactory类中添加一个新的方法，来创建这个对象。
要支持未来需求可能的变化，我们也可以引入Factory Method模式，将创建Equipment对象的方法进行抽象，具体的实现留待各自的实现子类来完成。坦白说，这未尝不是一个好的实现方案。然而，考虑到这里要创建的Equipment对象，是由Port对象和Machine对象组成的，我们关注的创建行为，归根结底，是如何将Port对象和Machine对象创建好，并使之组合成我们需要的整体对象Equipment，因此，采用Builder模式也许是更好的选择。
注意：实际上Factory Method模式与Builder模式并没有泾渭分明的区别，尤其针对Builder模式，我们都可以将其转换为Factory Method模式，反之则不然。也就是说，Factory Method模式的应用更加广泛。如果一定要作出区分，那么可以说，二者同时生成产品，Factory Method模式主要用于生成一类完整的产品，而Builder模式则更关注于产品内部各种零件的组合，并最终组装为整体的产品。由于Builder模式对产品内部的创建进行了细分，因此对于那些内部具有一定结构的目标对象，如本例的Equipment，最佳选择仍然是Builder模式。
17.3 引入Builder模式
就Builder模式来说，最重要的当然是Build行为的抽象。以本例而言，要创建一个Equipment对象，需要Build的是Port和Machine对象，所以我们可以定义两个Build方法的抽象：
void BuildMachine(string machineName);
按照这样一个原则，我们可以建立如图17-1所示的类图：
图17-1 Builder类的继承体系
实现代码如下：
{
protected Equipment m_equipment;
protected Machine m_machine;
public EQPBuilder()
{
m_equipment = new Equipment();
}
public abstract void BuildPort();
public virtual void BuildMachine(string name)
{
m_machine = new Machine(name);
m_equipment.Name = name;
m_equipment.Machine = m_machine;
}
public virtual Equipment GetEQP()
{
return m_equipment;
}
}
public class InputEQPBuilder : EQPBuilder
{
public override void BuildPort()
{
Port port = new InputPort();
m_equipment.AddPort(port);
}
public override void BuildMachine(string name)
{
base.BuildMachine(name);
m_machine.PortType = "Input";
}
}
public class OutputEQPBuilder : EQPBuilder
{
public override void BuildPort()
{
Port port = new OutputPort();
m_equipment.AddPort(port);
}
public override void BuildMachine(string name)
{
base.BuildMachine(name);
m_machine.PortType = "Output";
}
}
public class IOPutEQPBuilder : EQPBuilder
{
public override void BuildPort()
{
Port inputPort = new InputPort();
Port outputPort = new OutputPort();
m_equipment.AddPort(inputPort);
m_equipment.AddPort(outputPort);
}
public override void BuildMachine(string name)
{
base.BuildMachine(name);
m_machine.PortType = "InputOutput";
}
}
由于Builder子类对于Port对象的创建完全不同，因此我们将父类EQPBuilder中的CreatePort方法定义为抽象方法；而创建Machine对象的CreateMachine方法，则因为具有一些共同的逻辑，可以在父类中提供实现，所以被定义为虚方法，并将相同的逻辑抽象到父类中。EQPBuilder的子类需要重写父类的CreateMachine方法，并在调用父类的CreateMachine方法后，根据创建的Port对象的不同，分别设置Machine对象的PortType值。
此外，在抽象类EQPBuilder中，我还定义了一个虚方法GetEQP，该方法用于返回一个Equipment对象，这个对象实则就是EQPBuilder类型对象所创建的产品。由于各个Builder子类返回Equipment对象的实现逻辑完全一样，所以在子类中就不必改写该方法了。
在Builder模式的实现中，我们已经有了Product（产品）角色Equipment类对象；有了Builder（建造者）角色EQPBuilder类对象，以及它的派生子类。现在还缺乏一个Director（指导者）角色，用以引入具体建造者角色，指导完成产品的创建。该角色类似于工厂模式中的工厂对象。因此，我将其定义为LCDFactory，便于调用者理解其职能：
{
public static Equipment CreateEQP(EQPBuilder buider, string name)
{
buider.BuildPort();
buider.BuildMachine(name);
return buider.GetEQP();
}
}
由于LCDFactory类的静态方法CreateEQP接受的参数是抽象类EQPBuilder，所以指导者角色与建造者角色之间仅存在弱依赖关系，这保证了Builder的扩展不会影响产品的创建，类图如17-2所示：
图17-2 Builder模式的实现类图
与标准的Builder模式不同，为了调用方便，我将EQPBuilder类型中的GetEQP方法也封装到了LCDFactory类中，因此客户端的调用方式应该是这样：
{
static void Main(string[] args)
{
EQPBuilder builder = new InputEQPBuilder();
Equipment eqp = LCDFactory.CreateEQP(builder, "InputMachine");
eqp.Run();
builder = new IOPutEQPBuilder();
eqp = LCDFactory.CreateEQP(builder, "InputOutputMachine");
eqp.Run();
Console.Read();
}
}
17.4 从容应对扩展
即使创建Equipment的需求发生了变化，应用了Builder模式的设计也能够从容应对。例如要求创建的Equipment包含一个Machine对象，一个Input类型的Port，两个Output类型的Port，那么我们可以在不修改原有程序集的前提下，新定义一个IO2PutEQPBuilder类，并继承自抽象类EQPBuilder：
{
public override void BuildPort()
{
Port inputPort = new InputPort();
Port outputPort1 = new OutputPort();
Port outputPort2 = new OutputPort();
m_equipment.AddPort(inputPort);
m_equipment.AddPort(outputPort1);
m_equipment.AddPort(outputPort2);
}
public override void BuildMachine(string name)
{
base.BuildMachine(name);
m_machine.PortType = "InputOutput2";
}
}
此时，客户端可以根据传递进来的EQPBuilder类型对象，生产出新的Equipment产品。例如：
{
static void Main(string[] args)
{
EQPBuilder builder = new IO2PutEQPBuilder();
Equipment eqp = LCDFactory.CreateEQP(builder, " InputOutput2Machine");
eqp.Run();
Console.Read();
}
}
我们甚至可以引入配置文件，利用反射技术动态创建具体的EQPBuilder对象，从而完全达到松散耦合开放扩展的目的。本例是项目开发的真实实践，通过对Builder模式的引入，给程序结构带来了有利的变化。这足以证明，如果能够合理地运用设计模式，就足以弥补好的设计与坏的设计之间巨大的鸿沟。
本文转自wayfarer51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/wayfarer/280151，如需转载请自行联系原作者