C++ 设计模式——建造者模式

建造者模式

建造者模式（Builder Pattern）是一种创建型设计模式，它允许使用多个简单的对象一步步构建一个复杂的对象。建造者模式通过将对象的构建过程与表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

引入“建造者”模式的定义：将一个复杂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。

组成部分

• 产品（Product）：代表最终构建的复杂对象，包含多个部件和属性。产品类定义了对象的结构和行为，通常包括多个属性和方法。
• 建造者（Builder）：定义创建产品的各个部件的抽象接口。建造者接口提供了构建不同部分的方法，允许灵活地创建不同类型的产品。
• 具体建造者（ConcreteBuilder）：实现建造者接口，具体构建和装配产品的各个部件。每个具体建造者负责创建特定类型的产品，同时维护构建过程的状态。
• 指挥者（Director）：负责管理建造过程，调用建造者的方法以生成产品。指挥者定义构建的顺序，确保产品的构建过程符合预期。

建造者模式使用步骤

1. 定义产品类

首先定义一个复杂对象的类 Monster，它是所有怪物的基类。

//怪物父类
class Monster
{
public:virtual ~Monster() {} //做父类时析构函数应该为虚函数// 其他方法可以在这里定义
};

2. 创建具体产品类

创建多个具体的怪物类，继承自 Monster 类。

//亡灵类怪物
class M_Undead :public Monster{};//元素类怪物
class M_Element :public Monster{};//机械类怪物
class M_Mechanic :public Monster{};

3. 创建建造者接口

定义一个抽象建造者类 MonsterBuilder，声明构建产品各个部分的方法。

//怪物构建器父类
class MonsterBuilder
{
public:virtual ~MonsterBuilder() {} //做父类时析构函数应该为虚函数//返回指向Monster类的成员变量指针m_pMonster，当一个复杂的对象构建完成后，可以通过该成员函数把对象返回Monster* GetResult(){return m_pMonster;}virtual void LoadTrunkModel(string strno) = 0;//这里也可以写为空函数体，子类决定是否重新实现virtual void LoadHeadModel(string strno) = 0;virtual void LoadLimbsModel(string strno) = 0;protected:Monster* m_pMonster;  //指向Monster类的成员变量指针
};

4. 实现具体建造者

创建多个具体建造者类，负责构建不同类型的怪物。

//亡灵类怪物构建器类
class M_UndeadBuilder :public MonsterBuilder
{
public:M_UndeadBuilder() //构造函数{m_pMonster = new M_Undead();}virtual void LoadTrunkModel(string strno){cout << "载入亡灵类怪物的躯干部位模型，需要m_pMonster指针调用M_Undead类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//具体要做的事情其实是委托给怪物子类来完成，委托指把本该自己实现的功能转给其他类实现//m_pMonster->......略}virtual void LoadHeadModel(string strno){cout << "载入亡灵类怪物的头部模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Undead类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}virtual void LoadLimbsModel(string strno){cout << "载入亡灵类怪物的四肢模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Undead类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}
};//元素类怪物构建器类
class M_ElementBuilder :public MonsterBuilder
{
public:M_ElementBuilder() //构造函数{m_pMonster = new M_Element();}virtual void LoadTrunkModel(string strno){cout << "载入元素类怪物的躯干部位模型，需要m_pMonster指针调用M_Element类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略			}virtual void LoadHeadModel(string strno){cout << "载入元素类怪物的头部模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Element类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}virtual void LoadLimbsModel(string strno){cout << "载入元素类怪物的四肢模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Element类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}
};
//机械类怪物构建器类
class M_MechanicBuilder :public MonsterBuilder
{
public:M_MechanicBuilder() //构造函数{m_pMonster = new M_Mechanic();}virtual void LoadTrunkModel(string strno){cout << "载入机械类怪物的躯干部位模型，需要m_pMonster指针调用M_Mechanic类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}virtual void LoadHeadModel(string strno){cout << "载入机械类怪物的头部模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Mechanic类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}virtual void LoadLimbsModel(string strno){cout << "载入机械类怪物的四肢模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Mechanic类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}
};

5. 创建指挥者类

定义一个指挥者类 MonsterDirector，负责管理建造过程。

//指挥者类
class MonsterDirector
{
public:MonsterDirector(MonsterBuilder* ptmpBuilder) //构造函数{m_pMonsterBuilder = ptmpBuilder;}//指定新的构建器void SetBuilder(MonsterBuilder* ptmpBuilder){m_pMonsterBuilder = ptmpBuilder;}//原MonsterBuilder类中的Assemble成员函数Monster* Construct(string strmodelno) //参数：模型编号，形如“1253679201245”等，每些位的组合都有一些特别的含义，这里无需深究{m_pMonsterBuilder->LoadTrunkModel(strmodelno.substr(4, 3));  //载入躯干模型，截取某部分字符串以表示躯干模型的编号m_pMonsterBuilder->LoadHeadModel(strmodelno.substr(7, 3));   //载入头部模型并挂接到躯干模型上m_pMonsterBuilder->LoadLimbsModel(strmodelno.substr(10, 3)); //载入四肢模型并挂接到躯干模型上return m_pMonsterBuilder->GetResult();  //返回构建后的对象}
private:MonsterBuilder* m_pMonsterBuilder; //指向所有构建器类的父类
};

6. 客户端代码

在客户端中，创建具体建造者和指挥者的实例，使用指挥者构建产品。

int main() 
{// 创建亡灵类怪物建造者M_UndeadBuilder* undeadBuilder = new M_UndeadBuilder();MonsterDirector undeadDirector(undeadBuilder); // 创建亡灵类怪物的指挥者// 构建亡灵类怪物Monster* undeadMonster = undeadDirector.Construct("1253679201245");// 使用构建的亡灵类怪物对象// ...// 创建元素类怪物的建造者M_ElementBuilder* elementBuilder = new M_ElementBuilder();MonsterDirector elementDirector(elementBuilder); // 创建元素类怪物的指挥者// 构建元素类怪物Monster* elementMonster = elementDirector.Construct("1253679201245");// 使用构建的元素类怪物对象// ...// 创建机械类怪物的建造者M_MechanicBuilder* mechanicBuilder = new M_MechanicBuilder();MonsterDirector mechanicDirector(mechanicBuilder); // 创建机械类怪物的指挥者// 构建机械类怪物Monster* mechanicMonster = mechanicDirector.Construct("1253679201245");// 使用构建的机械类怪物对象// ...// 清理资源delete undeadMonster; // 释放亡灵类怪物对象delete elementMonster; // 释放元素类怪物对象delete mechanicMonster; // 释放机械类怪物对象delete undeadBuilder; // 释放亡灵类建造者对象delete elementBuilder; // 释放元素类建造者对象delete mechanicBuilder; // 释放机械类建造者对象return 0;
}

建造者模式 UML 图

建造者模式 UML 图解析

• Builder (抽象构建器)：
  • MonsterBuilder 类定义了创建产品对象的各个部件的抽象接口，包括方法如 LoadTrunkModel、LoadHeadModel、LoadLimbsModel。同时，它还定义了 GetResult 接口，用于返回所创建的复杂对象。
• ConcreteBuilder (具体构建器)：
  • 具体构建器类（如 M_UndeadBuilder、M_ElementBuilder、M_MechanicBuilder）实现了 MonsterBuilder 接口，负责具体的构造和装配过程。每个具体构建器定义了其所创建的复杂对象（如 M_Undead、M_Element、M_Mechanic），并可能提供方法返回创建好的复杂对象。
• Product (产品)：
  • 产品类指被构建的复杂对象，包含多个部件。具体构建器负责创建该产品的内部表示并定义它的装配过程。例如，M_Undead、M_Element、M_Mechanic 类分别表示不同类型的怪物。
• Director (指挥者)：
  • MonsterDirector 类是指挥者，持有一个指向抽象构建器的引用（如 m_pMonsterBuilder）。它利用该引用在 Construct 成员函数中调用构建器对象的方法，完成复杂对象的构建。指挥者控制构建过程的顺序，确保各个部件按正确的顺序装配。例如，Construct 函数中会依次调用 LoadTrunkModel、LoadHeadModel 和 LoadLimbsModel。
• 客户端：
  • 在客户端（如 main 函数）中，用户只需生成一个具体的构建器对象，并利用该构建器对象创建指挥者对象，调用指挥者的 Construct 方法，就可以构建出所需的复杂对象。这种设计使得客户端与具体实现解耦，提高了灵活性和可维护性。

建造者模式的优缺点

优点：

• 解耦：建造者模式将复杂对象的构建与表示分离，使得构建过程与产品的表示相互独立，降低了模块间的耦合度。
• 灵活性：可以通过更换具体建造者来灵活地构建不同类型的产品，而无需修改指挥者或客户端代码。
• 可读性和可维护性：通过清晰的接口和结构，增加了代码的可读性，便于后续的维护和扩展。
• 支持复杂对象的构建：适合构建复杂对象，特别是那些具有多个部件和装配顺序要求的对象。
• 步骤控制：指挥者可以控制构建的步骤和顺序，确保复杂对象按照预期的方式构建。

缺点：

• 复杂性：对于简单对象的构建，使用建造者模式可能显得过于复杂，增加了不必要的代码和结构。
• 类的数量增加：需要创建多个具体建造者类和产品类，可能导致类的数量增加，增加了系统的复杂性。
• 构建过程固定：一旦定义了指挥者的构建过程，可能不够灵活，难以适应一些动态变化的需求。

建造者模式的适用场景

• 构建复杂对象：当对象由多个部件组成，且构建和组合过程复杂时，例如游戏中的角色（如怪物、NPC）。
• 产品变体多样化：当需要创建多种不同类型的产品，但构建过程相似时，例如不同类型的车辆（轿车、卡车、摩托车）。
• 构建过程需要控制：当构建过程需要明确的步骤和顺序时，例如根据不同条件动态调整构建顺序。
• 对象的构建与表示分离：当产品的构建与表示需要解耦，以便于后续维护和扩展，例如构建复杂文档时。
• 逐步构建对象：当对象的构建过程需要分步进行，或在构建过程中进行条件判断时，例如配置复杂系统。
• 需要灵活的对象创建：当需要在运行时决定构建哪种类型的对象时，例如根据用户输入或配置文件动态选择不同的构建器。

完整代码

#include <iostream>
#include <string>using namespace std;//怪物父类
class Monster
{
public:virtual ~Monster() {} //做父类时析构函数应该为虚函数//void Assemble(string strmodelno) //参数：模型编号，形如“1253679201245”等，每些位的组合都有一些特别的含义，这里无需深究//{//	LoadTrunkModel(strmodelno.substr(4, 3));  //载入躯干模型，截取某部分字符串以表示躯干模型的编号//	LoadHeadModel(strmodelno.substr(7, 3));   //载入头部模型并挂接到躯干模型上//	LoadLimbsModel(strmodelno.substr(10, 3)); //载入四肢模型并挂接到躯干模型上//}//virtual void LoadTrunkModel(string strno) = 0; //这里也可以写为空函数体，子类决定是否重新实现//virtual void LoadHeadModel(string strno) = 0;//virtual void LoadLimbsModel(string strno) = 0;
};//亡灵类怪物
class M_Undead :public Monster
{/*public:virtual void LoadTrunkModel(string strno){cout << "载入亡灵类怪物的躯干部位模型，需要调用M_Undead类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;}virtual void LoadHeadModel(string strno){cout << "载入亡灵类怪物的头部模型并挂接到躯干部位，需要调用M_Undead类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;}virtual void LoadLimbsModel(string strno){cout << "载入亡灵类怪物的四肢模型并挂接到躯干部位，需要调用M_Undead类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;}*/
};//元素类怪物
class M_Element :public Monster
{/*public:virtual void LoadTrunkModel(string strno){cout << "载入元素类怪物的躯干部位模型，需要调用M_Element类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;}virtual void LoadHeadModel(string strno){cout << "载入元素类怪物的头部模型并挂接到躯干部位，需要调用M_Element类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;}virtual void LoadLimbsModel(string strno){cout << "载入元素类怪物的四肢模型并挂接到躯干部位，需要调用M_Element类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;}*/
};//机械类怪物
class M_Mechanic :public Monster
{/*public:virtual void LoadTrunkModel(string strno){cout << "载入机械类怪物的躯干部位模型，需要调用M_Mechanic类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;}virtual void LoadHeadModel(string strno){cout << "载入机械类怪物的头部模型并挂接到躯干部位，需要调用M_Mechanic类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;}virtual void LoadLimbsModel(string strno){cout << "载入机械类怪物的四肢模型并挂接到躯干部位，需要调用M_Mechanic类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;}*/
};//-----------------
//怪物构建器父类
class MonsterBuilder
{
public:virtual ~MonsterBuilder() {} //做父类时析构函数应该为虚函数//void Assemble(string strmodelno) //参数：模型编号，形如“1253679201245”等，每些位的组合都有一些特别的含义，这里无需深究//{//	LoadTrunkModel(strmodelno.substr(4, 3));  //载入躯干模型，截取某部分字符串以表示躯干模型的编号//	LoadHeadModel(strmodelno.substr(7, 3));   //载入头部模型并挂接到躯干模型上//	LoadLimbsModel(strmodelno.substr(10, 3)); //载入四肢模型并挂接到躯干模型上//}//返回指向Monster类的成员变量指针m_pMonster，当一个复杂的对象构建完成后，可以通过该成员函数把对象返回Monster* GetResult(){return m_pMonster;}virtual void LoadTrunkModel(string strno) = 0;//这里也可以写为空函数体，子类决定是否重新实现virtual void LoadHeadModel(string strno) = 0;virtual void LoadLimbsModel(string strno) = 0;protected:Monster* m_pMonster;  //指向Monster类的成员变量指针
};//---------------
//亡灵类怪物构建器类
class M_UndeadBuilder :public MonsterBuilder
{
public:M_UndeadBuilder() //构造函数{m_pMonster = new M_Undead();}virtual void LoadTrunkModel(string strno){cout << "载入亡灵类怪物的躯干部位模型，需要m_pMonster指针调用M_Undead类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//具体要做的事情其实是委托给怪物子类来完成，委托指把本该自己实现的功能转给其他类实现//m_pMonster->......略}virtual void LoadHeadModel(string strno){cout << "载入亡灵类怪物的头部模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Undead类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}virtual void LoadLimbsModel(string strno){cout << "载入亡灵类怪物的四肢模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Undead类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}
};//元素类怪物构建器类
class M_ElementBuilder :public MonsterBuilder
{
public:M_ElementBuilder() //构造函数{m_pMonster = new M_Element();}virtual void LoadTrunkModel(string strno){cout << "载入元素类怪物的躯干部位模型，需要m_pMonster指针调用M_Element类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略			}virtual void LoadHeadModel(string strno){cout << "载入元素类怪物的头部模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Element类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}virtual void LoadLimbsModel(string strno){cout << "载入元素类怪物的四肢模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Element类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}
};
//机械类怪物构建器类
class M_MechanicBuilder :public MonsterBuilder
{
public:M_MechanicBuilder() //构造函数{m_pMonster = new M_Mechanic();}virtual void LoadTrunkModel(string strno){cout << "载入机械类怪物的躯干部位模型，需要m_pMonster指针调用M_Mechanic类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}virtual void LoadHeadModel(string strno){cout << "载入机械类怪物的头部模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Mechanic类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}virtual void LoadLimbsModel(string strno){cout << "载入机械类怪物的四肢模型并挂接到躯干部位，需要m_pMonster指针调用M_Mechanic类或其父类中其他诸多成员函数，逻辑代码略......" << endl;//m_pMonster->......略}
};//指挥者类
class MonsterDirector
{
public:MonsterDirector(MonsterBuilder* ptmpBuilder) //构造函数{m_pMonsterBuilder = ptmpBuilder;}//指定新的构建器void SetBuilder(MonsterBuilder* ptmpBuilder){m_pMonsterBuilder = ptmpBuilder;}//原MonsterBuilder类中的Assemble成员函数Monster* Construct(string strmodelno) //参数：模型编号，形如“1253679201245”等，每些位的组合都有一些特别的含义，这里无需深究{m_pMonsterBuilder->LoadTrunkModel(strmodelno.substr(4, 3));  //载入躯干模型，截取某部分字符串以表示躯干模型的编号m_pMonsterBuilder->LoadHeadModel(strmodelno.substr(7, 3));   //载入头部模型并挂接到躯干模型上m_pMonsterBuilder->LoadLimbsModel(strmodelno.substr(10, 3)); //载入四肢模型并挂接到躯干模型上return m_pMonsterBuilder->GetResult();  //返回构建后的对象}
private:MonsterBuilder* m_pMonsterBuilder; //指向所有构建器类的父类
};int main()
{// 创建具体建造者M_UndeadBuilder* undeadBuilder = new M_UndeadBuilder();MonsterDirector undeadDirector(undeadBuilder); // 创建亡灵类怪物的指挥者// 构建亡灵类怪物Monster* undeadMonster = undeadDirector.Construct("1253679201245");// 使用构建的亡灵类怪物对象// ...// 创建元素类怪物的建造者M_ElementBuilder* elementBuilder = new M_ElementBuilder();MonsterDirector elementDirector(elementBuilder); // 创建元素类怪物的指挥者// 构建元素类怪物Monster* elementMonster = elementDirector.Construct("1253679201245");// 使用构建的元素类怪物对象// ...// 创建机械类怪物的建造者M_MechanicBuilder* mechanicBuilder = new M_MechanicBuilder();MonsterDirector mechanicDirector(mechanicBuilder); // 创建机械类怪物的指挥者// 构建机械类怪物Monster* mechanicMonster = mechanicDirector.Construct("1253679201245");// 使用构建的机械类怪物对象// ...// 清理资源delete undeadMonster; // 释放亡灵类怪物对象delete elementMonster; // 释放元素类怪物对象delete mechanicMonster; // 释放机械类怪物对象delete undeadBuilder; // 释放亡灵类建造者对象delete elementBuilder; // 释放元素类建造者对象delete mechanicBuilder; // 释放机械类建造者对象return 0;
}