Python设计模式 - 建造者模式

定义

建造者模式是一种创建型设计模式，主要用于构建包含多个组成部分的复杂对象。它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对象表示。

结构

抽象建造者（Builder）：声明创建产品的各个部件的方法，以及一个获取产品对象的方法。
具体建造者（ConcreteBuilder）：实现抽象建造者的方法，这些方法用来构建产品的各个部件。
产品（Product）：被构建的复杂对象。
指挥者（Director）：负责安排产品各部件的建造顺序，调用抽象建造者的方法构建产品的各个部分，最后返回创建好的产品对象。
客户端（Client）：使用指挥者和建造者来构建产品。

应用场景

对象结构复杂，创建过程涉及多个步骤：当对象由多个组件组成，且这些组件的初始化顺序或组合方式较灵活时，建造者模式可以将创建过程拆分为多个步骤，使得对象的构建更加清晰。例如，构建 Computer 对象时，可以逐步配置 CPU、内存、硬盘等组件。
需要灵活配置对象：当对象的某些部分是可选的，或者可以根据不同需求定制时，建造者模式能够提供流畅的配置方式，而不影响对象的整体创建。例如，创建游戏角色时，可以选择不同的装备、技能组合，而无需修改底层实现。

优缺点

优点：

创建过程与表示分离：建造者模式将对象的创建过程和最终表示解耦，使得同样的构造过程可以创建不同的对象变体。
封装复杂创建过程：将对象的创建流程封装在指挥者中，客户端无需关心具体的构造细节，而是通过指挥者直接获取完整的对象，从而简化调用逻辑。
提高代码的可扩展性：新增产品时，只需扩展新的具体建造者，而无需修改现有代码，符合开闭原则。

缺点：

可能导致冗余代码：对于每种不同的产品类型，都需要创建对应的建造者类，这在产品种类较多但构建逻辑相似的情况下，可能导致大量重复代码，不如使用抽象工厂模式更合适。

代码示例

python 复制代码

from abc import ABC, abstractmethod


class Computer:
    """ 计算机产品 """

    def __init__(self, brand):
        self.brand = brand
        self.cpu = None
        self.memory = None
        self.storage = None
        self.graphics_card = None  # 可选组件（独立显卡）

    def __str__(self):
        gpu_info = f", {self.graphics_card} GPU" if self.graphics_card else ", No GPU"
        return f"{self.brand} Computer with {self.cpu}, {self.memory} RAM, {self.storage} Storage{gpu_info}"


class ComputerBuilder(ABC):
    """ 计算机建造者基类（抽象类） """

    def __init__(self, brand):
        self.computer = Computer(brand)

    @abstractmethod
    def set_cpu(self):
        pass

    @abstractmethod
    def set_memory(self):
        pass

    @abstractmethod
    def set_storage(self):
        pass

    @abstractmethod
    def set_graphics_card(self):
        pass

    def build(self):
        return self.computer


class LenovoComputerBuilder(ComputerBuilder):
    """ 联想电脑建造者（默认带独立显卡） """

    def __init__(self):
        super().__init__("Lenovo")

    def set_cpu(self):
        self.computer.cpu = "Intel i7"
        return self

    def set_memory(self):
        self.computer.memory = "16GB"
        return self

    def set_storage(self):
        self.computer.storage = "512GB SSD"
        return self

    def set_graphics_card(self):
        self.computer.graphics_card = "NVIDIA RTX 4090"
        return self


class MacComputerBuilder(ComputerBuilder):
    """ Mac 电脑建造者（默认不带独立显卡） """

    def __init__(self):
        super().__init__("Mac")

    def set_cpu(self):
        self.computer.cpu = "Apple M2"
        return self

    def set_memory(self):
        self.computer.memory = "32GB"
        return self

    def set_storage(self):
        self.computer.storage = "1TB SSD"
        return self

    def set_graphics_card(self):
        return self


class Director:
    """ 指挥者，控制建造流程 """

    @staticmethod
    def construct_pc(builder: ComputerBuilder):
        """ 统一的构造过程 """
        return (builder.set_cpu()
                .set_memory()
                .set_storage()
                .set_graphics_card()
                .build())


# 客户端代码
lenovo_pc = Director.construct_pc(LenovoComputerBuilder())  # 联想默认带显卡
mac_pc = Director.construct_pc(MacComputerBuilder())  # Mac 默认无显卡

print(lenovo_pc)  # Lenovo Computer with Intel i7, 16GB RAM, 512GB SSD Storage, NVIDIA RTX 4090 GPU
print(mac_pc)  # Mac Computer with Apple M2, 32GB RAM, 1TB SSD Storage, No GPU

省略Director

在有些情况下，为了简化系统结构，可以将Director和抽象建造者Builder进行合并，在Builder中提供逐步构建复杂产品对象的construct()方法。

python 复制代码

class ComputerBuilder(ABC):
    """ 计算机建造者基类（抽象类） """

    def __init__(self, brand):
        self.computer = Computer(brand)

    @abstractmethod
    def set_cpu(self):
        pass

    @abstractmethod
    def set_memory(self):
        pass

    @abstractmethod
    def set_storage(self):
        pass

    @abstractmethod
    def set_graphics_card(self):
        pass

    def construct(self):
        """ 统一的构造过程 """
        return (self.set_cpu()
                .set_memory()
                .set_storage()
                .set_graphics_card()
                .computer)
                
# 客户端代码：直接选择 Builder 并调用 construct()
lenovo_pc = LenovoComputerBuilder().construct()  # 联想默认带显卡
mac_pc = MacComputerBuilder().construct()  # Mac 默认无显卡

print(lenovo_pc)  # Lenovo Computer with Intel i7, 16GB RAM, 512GB SSD Storage, NVIDIA RTX 4090 GPU
print(mac_pc)  # Mac Computer with Apple M2, 32GB RAM, 1TB SSD Storage, No GPU

这种方式不影响系统的灵活性和可扩展性，同时还简化了系统结构，但是加重了抽象建造者类的职责。如果construct()方法较为复杂，待构建产品的组成部分较多，建议还是将construct()方法单独封装在Director中，这样做更符合单一职责原则。

参考

《设计模式的艺术》